gravité modifiée

Un rayon de lumière passant près d'un corps massif le contourne, comme un coureur contourne le virage d'un stade. Pour une étoile à neutrons, cet angle de déviation est généralement considéré comme identique à celui d'une masse ponctuelle.

Lorsque les planètes tournent autour du Soleil, elles ne suivent pas simplement leurs orbites : elles s'attirent légèrement les unes les autres. C'est comme une danse où chaque partenaire ressent les mouvements des autres. Des scientifiques ont décidé de déterminer à quel point cette attraction mutuelle modifie les trajectoires des planètes.

Le compteur de vitesse des galaxies s'affole. Les étoiles externes tournent si vite que, selon toutes les lois de la gravitation, elles devraient s'échapper, comme des éclaboussures d'une roue.

À force de fixer longtemps la fenêtre nocturne, on finit tôt ou tard par se heurter à une noirceur au-delà de laquelle on ne voit rien. Ce n'est pas simplement une clôture lointaine – c'est le bord de l'Univers accessible, l'horizon cosmique. La lumière des étoiles plus lointaines n'a tout simplement pas eu le temps de nous parvenir.

Une armature invisible maintient les galaxies, les empêchant de se disperser. C'est la matière noire — une substance qui n'émet pas de lumière et n'interagit presque pas avec la matière ordinaire. Les astrophysiciens débattent depuis longtemps de sa composition.

Le modèle standard cosmologique ressemble à une recette de gâteau où tout est strictement mesuré : la matière noire est comme de la farine sans grumeaux (pression nulle), et l'énergie noire comme une levure idéale (équation d'état strictement égale à moins un).

Une balance qui ne pèse pas un corps, mais l'espace qui l'entoure. C'est ainsi que fonctionnent les équations d'Einstein dans la relativité générale : elles relient la courbure de l'espace-temps à ce qui s'y trouve.

En 2017, les détecteurs ont enregistré une onde gravitationnelle provenant de la collision de deux étoiles à neutrons. 1,7 seconde plus tard, les télescopes ont vu l'éclat du sursaut gamma provenant du même point. Ce minuscule décalage est devenu un trésor pour les physiciens.

Dans le vaste océan cosmique, la matière noire s'agglutine en amas et en filaments, un peu comme le plancton suit les courants. Mais si la gravité ne fonctionne pas exactement comme le prévoyait Einstein, ces motifs se modifient — imperceptiblement, telles des rides laissées par un vent invisible.

Dans le vaste océan cosmique, la matière noire s'agglutine en amas et en filaments, un peu comme le plancton suit les courants. Mais si la gravité ne fonctionne pas exactement comme le prévoyait Einstein, ces motifs se modifient — imperceptiblement, telles des rides laissées par un vent invisible.

Les cosmologistes ressemblent à des cartographes — sauf qu'au lieu de montagnes et de rivières, ils reportent sur la carte des forces invisibles. L'énergie noire, qui accélère l'expansion de l'Univers, demeure une énigme. L'une des hypothèses est le modèle de l'« enchevêtrement gravitationnel cinétique » (KGB).

Une pierre tombe dans une eau calme, et des cercles se propagent à la surface. Un trou noir se comporte de manière similaire lorsqu'un objet tombe en lui ou lorsqu'il fusionne avec un autre. Le trou noir se met à osciller, et ces oscillations s'échappent dans l'espace sous forme d'ondes gravitationnelles.

Au centre de l'attention se trouve le monopôle, une concentration particulière de champ non abélien (un champ où l'ordre des opérations change le résultat), qui rappelle une charge magnétique sans paire.

Le modèle standard de la physique des particules est un catalogue de toutes les briques connues de l'univers : électrons, quarks et autres. Mais il reste muet sur la matière noire et ne s'entend pas avec la gravité.

La gravité est une force étonnamment faible. Un petit aimant retient un trombone contre l'attraction de toute une planète. Les physiciens cherchent depuis longtemps la cause de cette faiblesse, et l'une des pistes nous mène vers des dimensions cachées.

Deux galaxies – notre Voie lactée et son compagnon, le Grand Nuage de Magellan – tournent lentement l'une autour de l'autre. Leur attraction gravitationnelle agite les confins lointains de la Voie lactée, comme un caillou jeté dans un étang fait onduler l'eau.

En août 2019, les détecteurs LIGO et Virgo ont enregistré ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux objets compacts au sein d'une étoile binaire. L'un d'eux pesait 23 masses solaires — un trou noir ordinaire. Le second, 2.5–2.67 M⊙.

Une étoile à neutrons, c'est une ville de la taille de Manhattan qui pèse comme un demi-million de Terres. Une cuillère à café de sa matière pèserait plus lourd que l'Everest. Et maintenant, dans cette boule superdense, on a mélangé quelque chose d'invisible et d'insaisissable : des particules de matière noire.

Quand deux trous noirs fusionnent au loin, un frémissement de l'espace nous parvient : ce sont les ondes gravitationnelles. On les décrit habituellement avec les équations d'Einstein, mais que se passerait-il si, aux distances les plus infimes, la gravité fonctionnait autrement ?

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.

La gravitation n'est pas seulement une force qui nous maintient au sol. À l'échelle de l'Univers, elle dirige les galaxies, courbe les rayons lumineux et détermine le destin de toute chose. Il y a cent ans, Einstein l'a décrite comme une courbure de l'espace et du temps.

Deux patineurs sur un lac gelé à perte de vue. Ils sont si loin l'un de l'autre que leurs silhouettes ne sont plus que des points, et leur attraction mutuelle, un concept presque théologique. Selon les préceptes de Newton, ils devraient tourner dans une valse d'une lenteur spéculative. Mais les télescopes voient autre chose.

Dans les profondeurs du cosmos, la gravité maîtrise l'art du camouflage. Depuis un quart de siècle, les astrophysiciens tentent de percer la nature de l'énergie noire qui accélère l'expansion de l'univers.

Une sphère de plomb est suspendue au-dessus d'une autre sphère de plomb. Selon les lois ordinaires de la gravitation, elles s'attirent exactement à la verticale — le long de la ligne joignant leurs centres.

Du gaz surchauffé, en spirale, tombe sur un objet superdense invisible. Un tel disque ressemble à un entonnoir géant, mais il est souvent incliné — son axe ne coïncide pas avec l'axe de rotation du corps central. La gravité de l'objet massif fait osciller légèrement le disque, comme une toupie qui perd l'équilibre.

Le monde qui nous entoure est en trois dimensions — mais ce n'est peut-être qu'une apparence. Certaines théories admettent que l'espace contient des dimensions supplémentaires, repliées ou étirées d'une manière particulière. L'un de ces modèles décrit un univers à cinq dimensions avec une dimension « diluée » (appelée dilaton linéaire).

Un océan infini où chaque vague porte l'information de ce qui se passe en profondeur. C'est à peu près ainsi que fonctionne notre Univers dans le cadre du principe holographique : la physique à l'intérieur d'un volume peut être décrite par les processus à sa frontière.

Les galaxies naines qui orbitent autour de la Voie lactée semblent avoir survécu à une tempête gravitationnelle. Leurs corps stellaires sont étirés, dispersés en queues de marée et échauffés de l'intérieur.

Dans les premiers instants après le Big Bang, l'Univers a connu une expansion fulgurante : l'inflation. Tel un ballon gonflé non pas uniformément mais avec de minuscules pulsations, il s'est étiré des milliards de fois en une fraction infinitésimale de seconde.

Dans un monde ordinaire sans énergie noire, la masse de tout corps est toujours positive. Cela semble évident : une masse positive attire, créant la gravité. Mais dans l'univers réel, il y a de l'énergie noire — une force mystérieuse qui accélère l'expansion du cosmos.

Près d'un siècle après que Fritz Zwicky a soupçonné quelque chose d'anormal dans le mouvement des galaxies de l'amas de la Chevelure de Bérénice, et que Vera Rubin a mesuré les vitesses stellaires dans les bras spiraux, la nature de la matière noire reste l'une des énigmes les plus lancinantes.

Une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèse comme une montagne. Mais cette montagne pourrait avoir un jumeau invisible. Dans les profondeurs d'une étoile à neutrons, la matière ordinaire est compressée à des densités inimaginables. Là, les protons et les neutrons peuvent se dissoudre en une soupe de quarks.

Au centre de nombreuses galaxies se cachent des trous noirs — des régions où la gravitation est si forte que même la lumière ne peut s'en échapper. Autour d'eux, des étoiles tournent souvent, et parfois l'une d'elles est un pulsar, un phare cosmique qui émet des impulsions radio strictement périodiques.

Une grande cuve souterraine remplie de xénon liquide attend un événement rare : une secousse provoquée par une particule de matière noire. En temps normal, la gravité est trop faible pour qu'une telle secousse soit perceptible.

L'Univers a une vitesse à laquelle il se dilate, appelée constante de Hubble. Le problème est que les deux méthodes les plus précises pour la mesurer donnent des chiffres différents. L'une, qui utilise la lumière primitive de l'Univers (le rayonnement fossile), donne une certaine valeur.

Le vide n'est pas aussi vide qu'il en a l'air. Si un observateur se déplace avec une accélération, le vide autour de lui se réchauffe — c'est ce qu'a prédit William Unruh dès les années 1970. L'effet ressemble au rayonnement d'un trou noir, mais en espace plat.

L'Univers se comporte comme une bulle de savon qui gonfle dans une mousse multidimensionnelle. Le modèle de la bulle sombre explique pourquoi elle s'étend de plus en plus vite : la bulle d'espace-temps grandit, et sa membrane acquiert une épaisseur minuscule — environ un micron, comme une bactérie.

Le faisceau d'une lampe de poche s'en va dans l'obscurité en ligne droite — c'est ainsi que nous avons l'habitude de penser à la lumière. Mais près d'un corps massif, comme une étoile ou un trou noir, l'espace est courbé, et le faisceau se dévie doucement, comme s'il était guidé par une main invisible.

Jetez un caillou dans un étang — des cercles se propageront à la surface. De la même manière, un corps massif en orbite autour d'un trou noir perturbe le tissu de l'espace-temps, engendrant des ondes gravitationnelles.

Notre Univers ne se contente pas de s'étendre — il le fait de plus en plus vite. C'est comme une pâte à raisins dans le four : les raisins s'éloignent les uns des autres, et plus ils sont déjà éloignés, plus vite ils continuent de se séparer. La force étrange qui repousse le cosmos a été nommée énergie noire.