Les étoiles à neutrons pourraient être le meilleur moyen de mesurer l’énergie noire

L’énergie noire est au cœur de notre théorie moderne de la cosmologie. Nous savons que l’univers s’étend à un rythme de plus en plus rapide, et l’explication la plus claire est qu’une sorte d’énergie le propulse. Puisque cette énergie n’émet pas de lumière, nous l’appelons énergie noire. Mais le simple fait de donner un nom à l’énergie noire ne signifie pas que nous la comprenons parfaitement. Nous pouvons voir ce que fait l’énergie noire, mais sa nature fondamentale est peut-être le plus grand mystère scientifique que nous ayons.

L’idée la plus populaire de l’énergie noire est qu’il s’agit d’un aspect de l’espace-temps lui-même. Dans la théorie de la relativité générale d’Einstein, il est possible d’inclure un terme connu sous le nom de constante cosmologique. Alors que l’univers pourrait s’étendre sans constante cosmologique, il a besoin de la constante pour que cette expansion s’accélère comme nous l’observons. C’est-à-dire dans le cadre de la relativité générale.

Mais si la constante cosmologique correspond très bien à l’observation, l’idée n’est pas sans poser de problèmes. Un problème qui revient sans cesse dans les données est le fait que nous ne pouvons pas déterminer sa valeur. Lorsque nous essayons de mesurer la constante en utilisant différentes méthodes, nous obtenons des valeurs légèrement différentes. À l’époque, l’incertitude de ces valeurs était suffisamment grande pour que nous puissions ignorer ce problème, mais nos observations sont devenues suffisamment précises pour qu’il soit clair qu’elles ne s’additionnent pas. Soit il y a une erreur systématique dans nos observations que nous n’avons pas identifiée, soit la constante cosmologique ne fonctionne pas tout à fait. Si c’est vrai, alors la relativité générale n’est pas tout à fait juste.

Quelle est donc l’alternative ?

L’une des plus populaires d’entre elles est connue sous le nom de théorie de Brans-Dicke, ou théorie de Jordan-Brans-Dicke, ou théorie de Fierz-Jordan-Brans-Dicke, selon le nombre de personnes que vous voulez attribuer à l’idée. Cette théorie est très similaire au modèle d’Einstein, en ce que dans les deux modèles, l’espace-temps et la matière obéissent à la relativité restreinte, l’espace-temps est décrit par un champ tensoriel appelé métrique et le principe d’équivalence est vrai. Fondamentalement, toute solution à la relativité générale est également une solution à Brans-Dicke.

En relativité générale, l’accélération est équivalente à la gravité. Crédit : Markus Poessel, via Wikipédia

La théorie de Jordan-Brans-Dicke a été proposée en partie pour ramener la relativité générale en meilleur accord avec le principe de Mach. Ainsi, alors que le modèle d’Einstein décrit la gravité entièrement via la métrique de l’espace-temps, Jordan-Brans-Dicke ajoute un champ scalaire dans le mélange. Les effets de la gravité sont alors causés à la fois par le champ scalaire et la métrique du tenseur, c’est pourquoi on l’appelle parfois un modèle scalaire-tenseur. Étant donné que ce modèle de tenseur scalaire est à certains égards une généralisation du modèle d’Einstein, vous pouvez utiliser l’un ou l’autre modèle pour décrire correctement l’univers observé. Bien sûr, si vous n’avez pas besoin d’un champ scalaire supplémentaire pour décrire la gravité, pourquoi en inventer un ? D’où la raison pour laquelle la théorie de Jordan-Brans-Dicke n’est pas très populaire.

Sauf si vous voulez une alternative à la constante cosmologique. Avec un champ scalaire supplémentaire, vous avez tout d’un coup un degré de liberté qui pourrait expliquer l’énergie noire. Ajustez votre champ scalaire de la bonne manière et vous pourrez faire correspondre les observations que nous avons de l’énergie noire. Et comme il s’agit d’un champ plutôt que d’une constante, l’énergie noire pourrait varier à la fois dans l’espace et dans le temps, ce qui expliquerait pourquoi nous ne pouvons pas la cerner à une simple constante.

C’est une idée intéressante, mais elle ne sera largement acceptée que si vous pouvez trouver une expérience qui prouve qu’Einstein a tort et que Jordan-Brans-Dicke a raison. Bonne chance avec ça, étant donné la similitude des deux modèles. Mais maintenant, une étude récente montre comment la théorie de Jordan-Brans-Dicke pourrait être testée, et elle implique la collision d’étoiles à neutrons.

Un champ scalaire améliore certains modes d’ondes gravitationnelles pour fusionner des étoiles à neutrons. Crédit : Bezares, et al

La modélisation des collisions d’étoiles à neutrons est difficile. La relativité générale est une théorie mathématique complexe, il faut donc une énorme puissance de calcul pour modéliser les collisions. La théorie de Jordan-Brans-Dicke est encore plus complexe, ce qui rend la simulation des collisions encore plus difficile. Mais l’équipe a pu créer une simulation qui fonctionne. En comparant les collisions d’étoiles à neutrons dans la théorie de Jordan-Brans-Dicke avec la relativité générale, ils ont découvert qu’il existe des différences essentielles dans les signaux d’ondes gravitationnelles. Ces différences sont trop faibles pour être observées avec les télescopes à ondes gravitationnelles actuels, mais la prochaine génération d’observatoires devrait être en mesure de distinguer les modèles.

Dans l’état actuel des choses, la relativité générale et la théorie de Jordan-Brans-Dicke correspondent tout aussi bien à nos observations. La principale raison pour laquelle la relativité générale est plus populaire est qu’elle est plus simple et, à certains égards, plus élégante. Mais simple et élégant ne fait pas toujours un bon modèle.

A la fin, le temps et l’espace le diront.

Référence: Bezares, Miguel, et al. “Aucune preuve de dépistage cinétique dans les simulations de fusion d’étoiles à neutrons binaires au-delà de la relativité générale.” Lettres d’examen physique 128.9 (2022) : 091103.

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