La gravitation modifiée

La gravitation modifiée désigne un vaste ensemble de théories qui proposent de modifier ou d'étendre les lois habituelles de la gravitation afin d'expliquer certains phénomènes astronomiques et cosmologiques. La description moderne de référence de la gravitation est la relativité générale d'Albert Einstein, publiée en 1915, dans laquelle la matière et l'énergie déterminent la géométrie de l'espace-temps et cette géométrie influence à son tour le mouvement de la matière. Cette théorie a été confirmée avec une remarquable précision dans de nombreux domaines, depuis le Système solaire jusqu'à l'étude des pulsars binaires et des ondes gravitationnelles. Cependant, lorsqu'elle est appliquée aux galaxies et à l'Univers dans son ensemble, elle doit être associée à des composantes supplémentaires, notamment la matière noire et l'énergie sombre, pour reproduire l'ensemble des observations dans le cadre du modèle ΛCDM. Les théories de gravitation modifiée explorent la possibilité qu'une partie des phénomènes attribués à ces composantes puisse plutôt révéler que notre description de la gravitation devient incomplète à certaines distances, accélérations ou courbures. Certaines cherchent principalement à expliquer les propriétés dynamiques des galaxies, tandis que d'autres concernent surtout l'accélération de l'expansion cosmique. La gravitation modifiée ne correspond donc pas à une théorie unique, mais à une famille très diversifiée de modèles qui doivent chacun être confrontés aux nombreux tests déjà réussis par la relativité générale.

L'une des motivations historiques importantes de la gravitation modifiée provient du comportement observé des galaxies, particulièrement de leurs courbes de rotation. Dans une galaxie spirale, les étoiles et le gaz tournent autour du centre sous l'effet de l'attraction gravitationnelle produite par l'ensemble de la masse. Si la masse était principalement distribuée comme la matière lumineuse observée, les vitesses orbitales devraient généralement diminuer suffisamment loin du centre selon les modèles newtoniens simples. Or, les observations montrent fréquemment des courbes de rotation approximativement plates, dans lesquelles la vitesse demeure élevée à des distances où la quantité de matière visible devient relativement faible. L'explication standard consiste à entourer les galaxies de vastes halos de matière noire qui fournissent la masse gravitationnelle supplémentaire nécessaire. Une autre possibilité consiste à se demander si les lois reliant l'accélération à la distribution de matière changent dans le régime des accélérations extrêmement faibles. C'est notamment l'idée à l'origine de MOND, ou Modified Newtonian Dynamics, proposée au début des années 1980 par Mordehai Milgrom. MOND reproduit certaines régularités galactiques avec une efficacité remarquable, mais son extension à une théorie cosmologique complète et compatible avec l'ensemble des observations exige des constructions plus élaborées.

Les théories de gravitation modifiée doivent en particulier posséder une formulation compatible avec les principes de la relativité si elles prétendent décrire l'ensemble des phénomènes gravitationnels. Une modification uniquement appliquée aux équations newtoniennes peut être utile pour décrire certaines galaxies, mais elle ne suffit pas à calculer correctement des phénomènes relativistes tels que la propagation de la lumière, les lentilles gravitationnelles ou l'évolution cosmologique. Des théories comme TeVeS, abréviation de Tensor-Vector-Scalar gravity, ont été développées afin de fournir un cadre relativiste capable de produire un comportement de type MOND dans certaines conditions. TeVeS introduit, en plus des éléments présents dans la relativité générale, des champs vectoriels et scalaires qui modifient la manière dont la matière et la gravitation interagissent. D'autres approches utilisent également de nouveaux champs ou degrés de liberté afin de modifier les équations gravitationnelles. Ces théories doivent retrouver avec une grande précision les prédictions de la relativité générale dans les situations où celle-ci a déjà été confirmée expérimentalement. Elles doivent simultanément produire des différences suffisamment importantes aux échelles galactiques ou cosmologiques pour expliquer les phénomènes qu'elles cherchent à résoudre.

Une autre famille importante est constituée par les théories de gravité (f(R)), modifiant directement la formulation mathématique utilisée dans la relativité générale. Dans la théorie d'Einstein, l'action gravitationnelle dépend notamment d'une quantité appelée scalaire de courbure (R), qui décrit certaines propriétés géométriques de l'espace-temps. Les modèles (f(R)) remplacent essentiellement cette dépendance simple par une fonction plus générale (f(R)). Ce changement peut modifier le comportement de la gravitation lorsque la courbure devient très faible ou très élevée, selon la fonction choisie. Certains modèles ont été étudiés comme moyens de produire une accélération cosmique sans introduire explicitement une constante cosmologique Λ ou une nouvelle forme conventionnelle d'énergie sombre. Ils peuvent toutefois introduire des degrés de liberté supplémentaires qui doivent rester compatibles avec les observations locales et cosmologiques. Des mécanismes particuliers peuvent être nécessaires afin que les modifications deviennent négligeables dans des environnements comme le Système solaire, où la relativité générale est très fortement contrainte. Les observations cosmologiques, les lentilles gravitationnelles et la croissance des grandes structures permettent ensuite de comparer ces modèles aux prédictions du modèle ΛCDM.

Les théories scalaire-tenseur représentent une autre catégorie importante de gravitation modifiée et ajoutent généralement un ou plusieurs champs scalaires à la description géométrique de la gravitation. Dans ces théories, l'intensité effective de l'interaction gravitationnelle peut dépendre du champ supplémentaire et éventuellement évoluer selon le lieu ou l'époque cosmologique. La théorie de Brans-Dicke, développée au début des années 1960, constitue l'un des exemples historiques les plus connus de cette approche. Des généralisations beaucoup plus complexes ont depuis été proposées afin d'étudier l'Univers primordial, l'énergie sombre ou l'accélération cosmique. Certaines constructions possèdent des mécanismes permettant de masquer les effets du champ supplémentaire dans les régions où les tests expérimentaux de la relativité générale sont particulièrement précis. Ces mécanismes sont importants, car toute nouvelle théorie doit expliquer pourquoi aucune différence importante avec la relativité générale n'a été détectée dans de nombreux environnements astrophysiques. Les observations des systèmes binaires compacts et des ondes gravitationnelles imposent également des contraintes très importantes sur les théories autorisant des modes supplémentaires de propagation de la gravitation. La découverte d'ondes gravitationnelles a ainsi fourni de nouvelles méthodes permettant de tester directement certaines propriétés fondamentales de la gravitation dans des régimes auparavant inaccessibles.

La principale difficulté rencontrée par les modèles de gravitation modifiée est qu'ils doivent expliquer simultanément un très grand nombre d'observations indépendantes. Une théorie capable de reproduire les courbes de rotation des galaxies n'est pas automatiquement capable d'expliquer la dynamique des amas de galaxies, les lentilles gravitationnelles ou le fond diffus cosmologique. Elle doit également reproduire correctement la formation des grandes structures et l'évolution de l'expansion cosmique. À l'échelle du Système solaire, elle doit rester compatible avec les mesures extrêmement précises des orbites planétaires, de la déviation de la lumière et des effets relativistes. Les pulsars binaires permettent de tester la gravitation dans des champs beaucoup plus intenses, tandis que les observations d'ondes gravitationnelles fournissent des contraintes sur leur vitesse de propagation et sur les propriétés des objets compacts. Le modèle associant la relativité générale à la matière noire et à l'énergie sombre possède l'avantage de reproduire simultanément un ensemble particulièrement vaste de données cosmologiques. Les théories alternatives doivent donc non seulement résoudre un problème particulier, mais également préserver cette cohérence globale avec les observations.

La gravitation modifiée constitue finalement un domaine important de recherche parce qu'elle permet de tester jusqu'où la relativité générale peut être appliquée et de rechercher d'éventuels signes d'une physique plus fondamentale. Des modèles comme MOND étudient principalement les régimes de très faible accélération rencontrés dans les galaxies, tandis que TeVeS cherche notamment à fournir une formulation relativiste à certaines idées associées à MOND. Les théories (f(R)), scalaire-tenseur et d'autres extensions de la relativité générale explorent plutôt différentes modifications possibles de la dynamique de l'espace-temps et de l'évolution cosmologique. Ces recherches ne signifient pas que la relativité générale a été démontrée incorrecte : celle-ci demeure extraordinairement efficace dans tous les domaines où elle a été testée avec précision. Elles permettent plutôt de comparer des hypothèses différentes concernant l'origine des phénomènes actuellement attribués à la matière noire ou à l'énergie sombre. Les observations futures des galaxies, des lentilles gravitationnelles, des grandes structures et des ondes gravitationnelles permettront de soumettre ces théories à des tests toujours plus exigeants. Une différence reproductible avec les prédictions de la relativité générale pourrait révéler une nouvelle propriété fondamentale de la gravitation, tandis que l'absence persistante de tels écarts réduit progressivement les possibilités offertes aux modèles alternatifs. L'étude de la gravitation modifiée constitue ainsi un complément essentiel aux recherches sur la matière noire et l'énergie sombre dans la tentative de comprendre la structure et l'évolution de l'Univers.