Meilleur test de la relativité générale sur des balances de galaxies

Les astronomes ont effectué le meilleur test de relativité générale à l'échelle d'une galaxie, qui exclut certaines théories (mais pas toutes) de la gravité modifiée.

La relativité générale, qui décrit notre compréhension moderne de la gravité comme la courbure induite par la masse sur l’espace-temps, a été testée de manière approfondie dans notre système solaire. Il a passé tous ces tests avec brio.

Mais il existe moins de tests sur des échelles de milliers ou de millions d'années-lumière. Ce sont précisément ces échelles qui sont pertinentes pour les théories de la gravité modifiée, qui offrent une alternative à l’existence de la matière noire. Ils prédisent que la gravité se comporte différemment sur de longues distances par rapport à notre système solaire. Bien que certains tests sur des échelles galactiques aient été effectués, ils n'ont pas été suffisamment robustes pour exclure la gravité modifiée.

À présent, une étude menée par Thomas Collett (Université de Portsmouth, Royaume-Uni) dans le journal Science du 22 juin (préimpression disponible ici) fournit un tel test utilisant les observations du télescope spatial Hubble et du très grand télescope d'une galaxie à lentilles. La lumière d'une galaxie en formation d'étoiles dans un univers vieux de 3 milliards d'années passait devant une galaxie voisine, dont la gravité servait de lentille et courbait la lumière de la galaxie de fond en un cercle bleu.

Image de la galaxie voisine ESO 325-G004, créée à l'aide des données recueillies par le télescope spatial Hubble NASA / ESA et de l'instrument MUSE sur le très grand télescope de l'ESO. L'encart montre l'anneau d'Einstein résultant de la distorsion de la lumière provenant d'une source plus éloignée par la lentille intermédiaire ESO 325-004, qui devient visible après soustraction de la lumière de la lentille de premier plan.
ESO / ESA / Hubble / NASA

Collett et ses collègues ont d’abord calculé la masse de la galaxie intermédiaire en mesurant les mouvements des étoiles qu’elle contient. Ensuite, ils ont mesuré la courbure spatiale générée par chaque unité de masse de la galaxie intermédiaire. La masse inférée par la courbure de l'espace-temps est précisément compatible avec la masse mesurée par les étoiles, exactement comme le prévoit la relativité générale.

Contrairement aux tests de relativité précédents, l'équipe de Collett s'appuyait moins sur des hypothèses concernant la nature de la galaxie intermédiaire. Donc, ce test est relativement exempt d'incertitudes systématiques qui ont nui aux études précédentes.

Cette infographie compare les deux méthodes utilisées pour mesurer la masse de la galaxie ESO 325-G004.
ESA / Hubble / ESO / NASA

Lucas Lombriser (Université de Genève), qui n'a pas participé à l'étude, qualifie les mesures de «test de gravité le plus robuste de ce type et sur ces échelles de longueur à ce jour».

«Cependant, ajoute-t-il, alors que ce nouveau test exclut certaines théories de la gravité alternatives, de nombreuses autres restent compatibles avec la mesure.» Bien que cette étude limite les variations de gravité sur des échelles inférieures à 6 500 années-lumière, des tests supplémentaires sera toujours nécessaire pour écarter plus généralement la gravité modifiée.