Depuis sa publication en 1915, la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein a été la pierre angulaire de la compréhension de la gravité et de l’Univers dans son ensemble. Mais à mesure que nous découvrons des phénomènes de plus en plus complexes et mystérieux, les limites de cette théorie centenaire deviennent de plus en plus apparentes. Cela ouvre la voie à d’autres théories qui cherchent à résoudre ces mystères en proposant des alternatives à la gravité d’Einstein.
Les limites de la relativité générale
La relativité générale a été incroyablement réussie pour expliquer des phénomènes comme la déviation de la lumière autour d’une étoile ou le mouvement des planètes dans le Système solaire. Toutefois, elle montre des signes d’échec quand il s’agit de traiter des singularités, où des quantités physiques deviennent infinies, comme dans les trous noirs ou lors du Big Bang. De plus, les tentatives de fusion de la relativité générale avec la mécanique quantique ont été infructueuses jusqu’à présent, soulignant la nécessité de nouvelles théories.
Le concept d’un Univers né d’un Big Bang, avec d’autres singularités nichées à l’intérieur des trous noirs, soulève d’énormes questions. Dans ces zones, des grandeurs comme la densité d’énergie et la pression deviennent infinies, ce qui suggère que la relativité générale est incomplète. On pourrait naïvement penser que la mécanique quantique, qui fonctionne à de petites échelles, apporterait une résolution.
Selon les principes de la mécanique quantique, notamment le principe d’incertitude d’Heisenberg, les particules ne sont pas des points mais des entités ondulatoires. L’intégration de la mécanique quantique à la relativité générale devrait, en principe, résoudre ces problèmes. Cependant, toute fusion des deux entraîne des écarts inévitables par rapport à la théorie initiale d’Einstein.
Par conséquent, la théorie de la gravité d’Einstein ne peut pas être le dernier mot sur la gravité. En fait, Arthur Eddington, qui est surtout connu pour avoir prouvé la relativité générale lors de l’éclipse solaire de 1919, a commencé à chercher des alternatives peu de temps après qu’Einstein l’a proposée pour la première fois en 1915, juste pour voir comment les choses pourraient être différentes.
Incohérences cosmologiques
L’incompatibilité entre les mesures de la constante de Hubble dans l’Univers primitif et dans l’Univers actuel sème le doute sur la précision du modèle standard de la cosmologie, le modèle Λ-Matière noire froide (ΛCDM). Les ingrédients clés de ce modèle, comme l’énergie noire, la matière noire et le mécanisme à l’origine de l’inflation cosmique, demeurent mystérieux.
Les astronomes ont fait la découverte impromptue de l’énergie noire pour expliquer l’accélération de l’expansion cosmique. Le modèle ΛCDM présente des lacunes flagrantes et n’est pas satisfaisant d’un point de vue théorique, bien qu’il ait été jusqu’à récemment assez bien adapté aux données cosmologiques.
Il a également été confronté à des défis importants en matière d’observation au cours des cinq dernières années. Le fond diffus cosmologique peut être utilisé pour mesurer la constante de Hubble dans l’Univers primitif, tandis que les supernovae peuvent être utilisées comme bougies standard dans l’Univers tardif pour calculer son âge et son échelle de distance. Les résultats de ces deux mesures ne sont pas cohérents.
Plus important encore, la nature des composants clés du modèle ΛCDM, notamment l’énergie noire, la matière noire et le champ responsable de l’inflation de l’Univers primitif, est toujours inconnue. D’un point de vue observationnel, l’accélération de l’Univers, découverte en 1998 avec les supernovae de type Ia, dont l’éclat est atténué par cette accélération, est l’argument le plus convaincant en faveur de la gravité modifiée. Selon le modèle ΛCDM, qui repose sur la relativité générale, le cosmos est rempli d’une énergie noire très exotique qui exerce une pression négative.
Des théories alternatives : Un nouveau départ
L’énigmatique énergie noire n’existe tout simplement pas. Cette théorie est de plus en plus acceptée depuis qu’elle a été présentée pour la première fois par des universitaires de l’université de Naples, mais le camp de l’énergie noire, qui la conteste, est toujours actif.
Les expériences sur le Système solaire, les découvertes actuelles sur les ondes gravitationnelles et les images de trous noirs proches de l’horizon contraignent les écarts par rapport à la théorie de la gravité d’Einstein. Les insuffisances de la relativité générale ont conduit à une recherche intense de nouvelles théories.
La gravité du tenseur scalaire est une de ces alternatives qui a gagné en popularité. Introduite pour la première fois par Eddington en 1923, cette théorie ajoute un champ scalaire à la description géométrique de la gravité, qui correspond à la particule la plus élémentaire, sans spin.
Elle permet des déviations par rapport à la relativité générale, en particulier dans des environnements à faible densité. L’un des aspects les plus intrigants de cette théorie est l’« effet caméléon », où la théorie se masque en relativité générale dans des conditions à haute densité, mais dévie dans des conditions à faible densité, comme dans l’espace interstellaire.
État actuel de la recherche
Une avancée récente dans la recherche de théories alternatives a été la découverte des théories de Horndeski, qui généralisent la gravité du tenseur scalaire en incluant d’autres types de champs et de termes dans les équations. Cette classe de théories a été étudiée de manière intensive, surtout à la lumière des récentes observations d’ondes gravitationnelles qui ont fourni de nouvelles contraintes.
Avec les avancées dans la détection des ondes gravitationnelles et les télescopes spatiaux de nouvelle génération, la prochaine décennie sera cruciale pour tester ces nouvelles théories. Les ondes gravitationnelles offrent une opportunité unique de tester la gravité dans des régimes où elle est extrêmement forte, fournissant ainsi un banc d’essai pour les alternatives à la relativité générale.
L’astronomie multimessager, qui utilise divers types de signaux comme les ondes gravitationnelles et les rayons gamma, pourrait être la clé pour détecter des déviations par rapport à la relativité générale et peut-être apporter des preuves solides de nouvelles théories.
La relativité générale d’Einstein a régné en maître pendant plus d’un siècle, mais elle montre maintenant des signes d’âge. Les questions non résolues suggèrent que la quête pour une nouvelle théorie de la gravité est plus pertinente que jamais. Alors que la technologie avance, de nouvelles observations pourraient bien faire basculer la compréhension de la gravité, ouvrant un nouveau chapitre dans l’exploration incessante de l’Univers.
