TeVeS (Tensor-Vector-Scalar gravity)

TeVeS, abréviation de Tensor-Vector-Scalar gravity, est une théorie relativiste de la gravitation proposée en 2004 par le physicien Jacob Bekenstein afin de fournir un cadre théorique plus complet aux idées associées à MOND (Modified Newtonian Dynamics). MOND avait été introduite par Mordehai Milgrom en 1983 pour expliquer certaines propriétés dynamiques des galaxies en modifiant les lois habituelles de la dynamique lorsque les accélérations deviennent extrêmement faibles. Sa formulation initiale n'était cependant pas une théorie relativiste complète et ne permettait donc pas de traiter naturellement tous les phénomènes associés à la propagation de la lumière, aux lentilles gravitationnelles ou à l'évolution cosmologique. TeVeS cherche à résoudre cette difficulté en introduisant plusieurs champs gravitationnels supplémentaires dans une théorie compatible avec une description relativiste de l'espace-temps. Son nom provient précisément des trois types de champs utilisés : un champ tensoriel, un champ vectoriel et un champ scalaire. Dans certaines limites de faible accélération, la théorie peut reproduire un comportement ressemblant à celui de MOND, tandis que dans d'autres régimes elle peut se rapprocher des prédictions habituelles de la gravitation relativiste. TeVeS constitue ainsi l'une des tentatives les plus connues visant à transformer l'idée phénoménologique de MOND en une véritable théorie relativiste de gravitation modifiée.

Le premier élément de TeVeS est le champ tensoriel, qui joue un rôle comparable à celui de la métrique de l'espace-temps dans la relativité générale d'Albert Einstein. Dans la relativité générale, la métrique décrit la géométrie de l'espace-temps et permet de déterminer les distances, les durées ainsi que les trajectoires suivies par la matière et la lumière. TeVeS conserve une structure tensorielle de ce type, mais lui ajoute un champ vectoriel et un champ scalaire possédant leur propre dynamique. Le champ vectoriel associe une direction temporelle privilégiée localement et contribue à modifier la réponse gravitationnelle dans certains régimes. Le champ scalaire, quant à lui, possède une valeur en chaque point de l'espace-temps et participe notamment à l'apparition du comportement de type MOND lorsque les accélérations sont très faibles. La matière ordinaire et la lumière ne réagissent donc pas simplement à un unique champ métrique de la même manière que dans la formulation la plus simple de la relativité générale. Les différents champs sont reliés de façon à produire une métrique physique déterminant les trajectoires réellement suivies par la matière et les photons. Cette construction plus complexe permet à TeVeS d'aborder des phénomènes relativistes qui ne pouvaient pas être correctement décrits par la prescription MOND originale.

L'un des objectifs fondamentaux de TeVeS est de reproduire les succès de MOND à l'échelle des galaxies. Les observations montrent que les étoiles et le gaz situés dans les régions externes de nombreuses galaxies spirales se déplacent plus rapidement que ne le prédirait une application simple de la dynamique newtonienne utilisant uniquement la matière visible. Dans le modèle cosmologique standard, cette différence est principalement expliquée par l'existence de vastes halos de matière noire entourant les galaxies. MOND propose plutôt que la relation entre l'accélération gravitationnelle et la distribution de matière change lorsque les accélérations deviennent inférieures à une valeur caractéristique extrêmement faible. TeVeS est construite de manière à pouvoir retrouver approximativement ce comportement dans certaines conditions, notamment grâce à son champ scalaire. Les courbes de rotation peuvent alors être expliquées avec une contribution gravitationnelle plus étroitement liée à la distribution de matière baryonique observée, sans nécessiter nécessairement le même halo de matière noire froide que dans ΛCDM. Cette propriété permet également à la théorie de reproduire certaines relations empiriques observées entre la quantité de matière baryonique et la dynamique des galaxies. La capacité à conserver ces succès galactiques tout en proposant une formulation relativiste représentait l'une des principales motivations ayant conduit au développement de TeVeS.

Un avantage essentiel de TeVeS par rapport à la formulation initiale de MOND est sa capacité à traiter les lentilles gravitationnelles dans un cadre relativiste. Selon la relativité générale, une concentration de masse courbe l'espace-temps et modifie la trajectoire des rayons lumineux qui passent à proximité, produisant différents phénomènes de lentille gravitationnelle. Une théorie cherchant à remplacer ou à réduire le rôle de la matière noire doit être capable d'expliquer simultanément le mouvement de la matière et la déviation de la lumière. Dans TeVeS, les champs supplémentaires contribuent à déterminer la métrique physique suivie par les photons et peuvent donc produire une déviation de la lumière plus importante que celle attendue à partir de la seule matière visible dans une description relativiste conventionnelle sans matière noire. Cette caractéristique permet d'étudier les lentilles produites par les galaxies et les amas dans un cadre inspiré de MOND. Cependant, certains systèmes complexes, notamment les amas de galaxies, restent difficiles à expliquer sans ajouter une certaine quantité de matière supplémentaire non observée directement. L'amas du Boulet et d'autres amas en collision fournissent des contraintes particulièrement importantes parce qu'ils permettent de comparer la distribution du gaz, des galaxies et de la masse déterminée par lentille gravitationnelle. TeVeS ne supprime donc pas automatiquement tous les problèmes associés à la masse manquante lorsqu'elle est appliquée à des systèmes plus vastes que les galaxies individuelles.

TeVeS permet également d'étudier la cosmologie, domaine pour lequel la formulation originale de MOND était insuffisante. Une théorie cosmologique complète doit décrire l'expansion de l'Univers, l'évolution de ses différentes composantes, les fluctuations de densité primordiales et la formation progressive des grandes structures. Elle doit surtout reproduire les propriétés extrêmement précises du fond diffus cosmologique, dont les anisotropies constituent l'un des tests les plus exigeants pour les modèles cosmologiques. Les champs scalaire et vectoriel de TeVeS peuvent influencer l'évolution des perturbations et modifier la manière dont les structures se développent au cours du temps. Certaines versions et applications de théories inspirées de TeVeS ont donc été étudiées afin de déterminer si elles peuvent reproduire simultanément les observations galactiques et cosmologiques avec une quantité réduite de matière noire conventionnelle. Cependant, obtenir un accord avec l'ensemble des données du fond diffus cosmologique, des amas et de la formation des structures demeure difficile et peut nécessiter l'introduction d'autres composantes, comme certaines populations de neutrinos massifs ou d'autres formes de matière non lumineuse. Le modèle ΛCDM conserve à cet égard l'avantage de fournir une description commune particulièrement efficace d'un très grand nombre d'observations indépendantes. La cosmologie constitue donc l'un des principaux domaines dans lesquels TeVeS et les théories apparentées peuvent être distinguées des modèles conventionnels de matière noire froide.

Les observations modernes des ondes gravitationnelles imposent par ailleurs des contraintes très importantes aux théories relativistes de gravitation modifiée. La détection simultanée en 2017 des ondes gravitationnelles provenant de la fusion d'étoiles à neutrons GW170817 et d'un signal électromagnétique associé a montré que les ondes gravitationnelles se propagent à une vitesse extrêmement proche de celle de la lumière. Cette observation a fortement restreint de nombreuses théories dans lesquelles les différents champs modifient la vitesse de propagation des perturbations gravitationnelles. Les formulations de type TeVeS doivent donc être examinées avec soin afin de vérifier leur compatibilité avec ces nouvelles contraintes. Les tests réalisés dans le Système solaire, les observations des pulsars binaires et les propriétés des objets compacts imposent également des limites aux paramètres autorisés. Certaines formulations originales peuvent rencontrer des difficultés particulières, tandis que des extensions ou reformulations de TeVeS ont été proposées pour tenter de préserver les comportements recherchés tout en satisfaisant les contraintes observationnelles modernes. Cela illustre une caractéristique générale de la recherche sur la gravitation modifiée : une théorie ne peut pas être jugée uniquement sur sa capacité à expliquer les courbes de rotation des galaxies. Elle doit rester compatible avec l'ensemble des expériences gravitationnelles disponibles, depuis les échelles du Système solaire jusqu'à celles de l'Univers observable.

TeVeS occupe finalement une place importante dans l'histoire des théories modernes de gravitation modifiée parce qu'elle a démontré qu'il était possible de construire un cadre relativiste élaboré reproduisant certaines caractéristiques de MOND. Elle fournit des outils permettant d'étudier les mouvements galactiques, la propagation de la lumière, les lentilles gravitationnelles et certains phénomènes cosmologiques dans une même structure théorique. Cependant, cette plus grande généralité s'accompagne d'une complexité importante et ne résout pas automatiquement toutes les difficultés rencontrées par les alternatives à la matière noire. Les amas de galaxies, le fond diffus cosmologique, la formation des grandes structures et les observations d'ondes gravitationnelles imposent des contraintes particulièrement sévères. Le modèle ΛCDM, fondé sur la relativité générale, la matière noire froide et une constante cosmologique, demeure le cadre cosmologique de référence parce qu'il reproduit simultanément une vaste gamme d'observations avec un ensemble relativement restreint de paramètres. TeVeS et ses extensions restent néanmoins scientifiquement intéressantes parce qu'elles permettent de tester si les phénomènes attribués à la matière noire pourraient, au moins en partie, révéler des propriétés encore inconnues de la gravitation. Leur étude fournit également des moyens supplémentaires de confronter la relativité générale à des régimes d'accélération extrêmement faible. TeVeS représente ainsi un exemple majeur des efforts visant à construire une théorie relativiste capable de relier les succès phénoménologiques de MOND aux exigences beaucoup plus vastes de l'astrophysique et de la cosmologie modernes.