théories de gravité alternatives

La lumière se fige au bord de l'abîme – c'est ainsi que se présente l'horizon des événements d'un trou noir classique. Mais au centre de cet abîme se cache une singularité, un point où les lois de la physique cessent de fonctionner.

La lumière change de direction dans une lentille, tout le monde le sait. Les ondes gravitationnelles, en passant près d'un corps massif, voient aussi leur trajectoire se courber.

Un rayon de lumière qui passe près d'un corps massif est dévié — c'est l'effet de lentille gravitationnelle, bien connu grâce aux images de galaxies lointaines.

Au centre de la Voie lactée, enveloppé de poussière et de lueurs, se cache un trou noir supermassif — Sagittaire A*. Autour de lui, tels des papillons de nuit attirés par la flamme, tournoient des dizaines d'étoiles repères.

Lorsqu'une galaxie lointaine nous envoie sa lumière, celle-ci s'affaiblit avec la distance — et c'est grâce à cet affaiblissement que l'on peut savoir à quelle distance elle se trouve.

L'électron et le muon sont de minuscules aimants. Leur magnétisme est légèrement supérieur à deux (dans des unités spéciales), et cette « fraction excédentaire » (le moment magnétique anomal) naît de l'agitation constante du vide : des paires de particules apparaissent et disparaissent brièvement.

Un trou de ver est un tunnel à travers la trame de l'courbure de l'espace-temps, une idée développée par John Archibald Wheeler et Kip Thorne. Comme un passage dans une montagne menace de s'effondrer, la gorge d'un trou de ver tend à se refermer.

L'Univers parle deux langues fondamentales : la gravité et la lumière. En temps normal, elles ne se mélangent pas : les ondes gravitationnelles glissent à travers la matière sans laisser de trace, tandis que les photons dansent dans des labyrinthes de miroirs.

Une galaxie, c'est un peu une autoroute cosmique où les étoiles, telles des voitures, filent en rond. Leur vitesse dépend de la « charge » invisible à l'intérieur de leur orbite : plus il y a de masse, plus les véhicules extérieurs vont vite.

Une bouilloire ordinaire : on chauffe — la température monte, et avec elle le désordre des molécules, la vapeur s'échappe. Mais en laboratoire, on a créé une « bouilloire » inhabituelle — un trou noir analogique fait de circuits supraconducteurs refroidis à l'extrême.

L'espace-temps ressemble parfois à une feuille de papier dans laquelle on pourrait percer un trou et relier les bords par un court tube — on obtiendrait un trou de ver. Dans les modèles mathématiques les plus simples de ces trous, apparaissent des champs scalaires sans masse — une sorte de brouillard invisible qui remplit tout autour.

Une pierre jetée dans un étang laisse des cercles concentriques à la surface. En physique quantique, le rôle de ces cercles est joué par des équations qui relient les propriétés des particules.

La théorie de la gravité d'Einstein explique comment la masse courbe l'espace et le temps. Sa validité a été testée près de la Terre, mais les tests les plus extrêmes sont possibles à proximité des trous noirs, où les distorsions atteignent leur paroxysme.

Lorsque la lumière passe à proximité d'un corps massif comme un trou noir, sa trajectoire se courbe — un phénomène prédit par Einstein.

Un diapason, une fois mis en vibration, fait vibrer les cordes voisines. C'est à peu près ce que fait un nuage de particules ultralégères (aussi appelées axions) autour d'un trou noir en rotation rapide.

Un ballon de baudruche dans la main rebondit également dans toutes les directions. En revanche, une bouteille de soda se comporte différemment : le long du goulot, elle est rigide, mais transversalement, elle se déforme facilement. C'est à peu près ainsi que fonctionne la pression à l'intérieur de certaines étoiles : elle peut être inégale selon les directions.

Le tailleur coupe un costume, mais les coutures gondolent et les boutons ne tombent pas droit. En théorie quantique des champs, des incohérences du même genre sont appelées anomalies : elles apparaissent quand la symétrie des équations se brise lors du passage à la description quantique. On les corrige généralement en cousant des pièces supplémentaires – les contre-termes de Bardeen-Weiss-Zumino.

La fusion de deux trous noirs ressemble à une danse qui se termine par une puissante explosion : une onde gravitationnelle. Cette onde porte l'empreinte de la courbure de l'espace-temps autour des objets.

Quand les étoiles aux abords des galaxies tournent plus vite que prévu, on suppose généralement une matière noire cachée. La nouvelle étude s'en passe, de particules invisibles.

Deux trous noirs tournent de plus en plus vite l'un autour de l'autre et finissent par fusionner. Cette danse ébranle l'espace lui-même : des ondes se propagent depuis le lieu de la rencontre, comme les cercles provoqués par une pierre jetée dans l'eau. Parfois, la fusion s'accompagne d'un éclair de lumière.

Si l'on regarde une carte des galaxies lointaines, elle n'est pas parfaitement uniforme : d'un côté du ciel, il y en a un peu plus, de l'autre, un peu moins. Ce déséquilibre a été remarqué dans plusieurs relevés du ciel, et il ne ressemble pas à un hasard.

Déjà au siècle dernier, Vera Rubin a découvert que les étoiles aux confins des galaxies tournent trop vite, comme si une substance invisible les retenait. Depuis, la matière noire reste une énigme. On associe généralement son apparition à de nouvelles particules ou à de nouvelles forces.

La lumière des galaxies lointaines, en traversant les amas de matière, se déforme — tout comme le fond d'une piscine se brise sous la ondulation de l'eau. Les astronomes mesurent ces infimes courbures de forme et obtiennent une carte de la « ondulation » gravitationnelle.