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Depuis 1915, la relativité générale d’Albert Einstein est la théorie de référence concernant la gravité et la dynamique de l’Univers. Depuis les dernières décennies, la théorie d’Einstein a passé tous les tests expérimentaux avec succès. Cependant, cela n’empêche pas les physiciens d’explorer des alternatives dans le cadre de théories gravitationnelles différentes. Et des simulations au moyen de la théorie du caméléon ont montré que les galaxies se formaient correctement dans ce cadre théorique alternatif.

La théorie de la relativité générale d’Einstein a été maintes fois démontrée et est généralement reconnue comme une base solide pour la compréhension de l’Univers. Mais ce n’est pas le seul modèle expliquant le fonctionnement de la gravité, et notamment la formation et l’évolution des galaxies.

À l’aide de puissants supercalculateurs, les physiciens ont simulé l’évolution du cosmos en se basant sur une alternative de relativité générale appelée gravité f(R), également appelée théorie du caméléon. Et ces simulations ont produit des galaxies à disques avec des bras en spirale, tout comme la Voie lactée. De ce fait, cela montre que les galaxies spirales de l’Univers auraient tout de même pu émerger dans le cadre d’une théorie différente de la relativité générale. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Nature Astronomy.

La formation de galaxies réalistes dans le cadre de la théorie du caméléon

« La théorie du caméléon permet de modifier les lois de la gravité afin de pouvoir tester l’effet des changements de gravité sur la formation des galaxies » déclare le physicien Christian Arnold de l’Université de Durham. « Grâce à nos simulations, nous avons montré pour la première fois que même si vous changiez la gravité, cela n’empêcherait pas la formation de galaxies à disques dotées de bras en spirale ».

simulation cameleon

Simulation d’un disque galactique dans le cadre de la théorie du caméléon. Crédits : Christian Arnold/Baojiu Li

La théorie du caméléon est ainsi nommée car ses propriétés changent en fonction de son environnement. Outre les quatre forces fondamentales, elle intègre également une hypothétique « cinquième force ». Bien que la nature et la dynamique de cette dernière ne soit encore pas bien contrainte par les physiciens travaillant sur cette théorie.

simulation galaxies

Bords et faces de quatre disques galactiques simulés dans le cadre de la théorie du caméléon. Ils correspondent bien à ce qui est observé aujourd’hui. Crédits : Christian Arnold et al. 2019

Les physiciens savent, à partir de modèles mathématiques antérieurs, que la théorie du caméléon fonctionne aussi bien que la relativité générale concernant le Système solaire. Mais la nouvelle recherche a mis les choses au clair, en se concentrant sur les trous noirs supermassifs situés au centre des galaxies. Ceux-ci sont essentiels à la formation et à la croissance des galaxies, car les vents immenses qui en émanent peuvent chasser tout le gaz à partir duquel les étoiles sont formées, ce qui permet d’arrêter efficacement la formation d’étoiles.

proprietes galaxies

Les propriétés stellaires et gazeuses des galaxies simulées dans le cadre de la gravité f(r) (bleu, vert), comparées à la relativité générale (orange). Les propriétés coïncident entre les deux théories. Crédits : Christian Arnold et al. 2019

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La gravité joue également un rôle dans ce processus. L’équipe a donc décidé de voir ce qui se passerait lorsque la gravité serait régie par la théorie du caméléon, et non par la relativité générale.

Même avec ce changement de gravité important, ils ont découvert que les galaxies étaient capables de se former. « Nos recherches ne signifient absolument pas que la relativité générale est fausse » rappelle Arnold, « mais elles démontrent que cela ne doit pas nécessairement être le seul moyen d’expliquer le rôle de la gravité dans l’évolution de l’Univers ».

Gravité f(R) et énergie noire : une explication possible de l’accélération de l’expansion

Cela signifie qu’il peut y avoir d’autres moyens d’expliquer d’autres mystères de l’univers — comme la vitesse d’expansion de l’Univers, qui s’avère plus rapide que prévu par les modèles. Depuis 1998 et la découverte de l’accélération de l’expansion, ce phénomène est expliqué par une énergie à densité négative appelée énergie noire.

« En relativité générale, les scientifiques expliquent l’expansion accélérée de l’univers en introduisant un type d’énergie mystérieuse appelée énergie noire — dont la forme la plus simple peut être une constante cosmologique, dont la densité est une constante dans l’espace et dans le temps » déclare le physicien Baojiu Li de l’Université de Durham.

« Cependant, les alternatives à une constante cosmologique qui expliquent l’expansion accélérée en modifiant la loi de la gravité, comme la gravité f(R), sont également largement prises en compte compte tenu du peu de connaissances dont nous disposons sur l’énergie noire ». L’équipe espère que le Square Kilometer Array, un nouveau réseau de radiotélescopes super puissant, qui doit être mis en service l’année prochaine, pourrait aider à résoudre ce problème.

Sources : Nature Astronomy

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