Une étude récente publiée par l'Université de Pennsylvanie aux États-Unis montre que des chercheurs ont utilisé le télescope cosmologique d'Atacama pour effectuer le test de gravité le plus approfondi à ce jour sur des amas de galaxies distants de plusieurs centaines de millions d'années-lumière. Les résultats ont montré qu'à très grande échelle de l'univers, la façon dont la gravité s'affaiblit avec la distance est toujours cohérente avec la loi du carré inverse proposée par Newton et plus tard absorbée et développée par la théorie générale de la relativité d'Einstein. Ce résultat fournit non seulement un nouveau support au modèle cosmologique standard, mais renforce également la chaîne de preuves de « l’existence réelle de la matière noire ».


L'équipe de recherche a souligné que les phénomènes gravitationnels de la vie quotidienne peuvent sembler intuitifs, comme les pommes qui tombent au sol et les planètes en orbite autour du soleil, mais à l'échelle cosmique, la gravité est toujours l'un des objets les plus critiques pour tester les théories physiques de base. Il détermine la façon dont les galaxies se forment, la façon dont les amas de galaxies se déplacent et façonne également la structure à grande échelle de l'univers entier. Cependant, les astronomes sont depuis longtemps confrontés à un problème dans leurs observations : de nombreuses étoiles et galaxies se déplacent beaucoup trop vite en se basant uniquement sur la masse de matière visible, et il semble que cela ne puisse pas être expliqué par l'attraction gravitationnelle générée par la matière visible existante.

Le cosmologue Patricio A. Gallardo, l'un des auteurs de l'article, a déclaré que cette « énorme lacune dans le registre cosmique » troublait la communauté astrophysique depuis de nombreuses années. Qu’il s’agisse de la rotation des étoiles au sein des galaxies ou du mouvement des galaxies dans les amas de galaxies, il est démontré que certains corps célestes se déplacent beaucoup plus vite que ne le permet la matière visible. Face à cette contradiction, la communauté scientifique propose généralement deux pistes d'explication : premièrement, il existe une grande quantité de matière noire invisible dans l'univers, qui apporte une gravité supplémentaire à ces corps célestes ; Deuxièmement, la théorie existante de la gravité doit être modifiée à très grande échelle.

Pour tester quelle explication est la plus proche de la vérité, les chercheurs ont fait appel aux données du télescope cosmologique d'Atacama. Développé par des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie, le télescope est un équipement d’observation d’une hauteur de trois à quatre étages. Il est principalement utilisé pour mesurer le rayonnement de fond cosmique micro-ondes, qui est la faible rémanence laissée par le Big Bang. L'équipe de recherche s'est concentrée sur l'analyse des changements subtils provoqués par cette lumière ancienne traversant d'immenses amas de galaxies, déduisant ainsi l'état de mouvement des amas de galaxies lorsqu'ils sont proches les uns des autres, et testant davantage la force réelle de la gravité à très grande échelle.

Le rayonnement cosmique de fond micro-onde est né environ 380 000 ans après le Big Bang et remplit l'univers entier. Lorsque ces rayons lumineux traversent des régions d’amas de galaxies contenant des gaz chauds, ils subissent des distorsions extrêmement faibles mais mesurables dues au mouvement de l’amas. C’est en analysant ce signal que les chercheurs ont mené des études statistiques sur des centaines de milliers d’échantillons d’amas de galaxies s’étendant sur des dizaines de millions, voire des centaines de millions d’années-lumière, afin de déterminer si la gravité décroît toujours avec la distance, comme le prédit la théorie classique.

Les résultats montrent que les données d'observation sont hautement cohérentes avec les prédictions de la théorie de Newton et de la théorie de la relativité générale d'Einstein. Si des théories alternatives comme la dynamique newtonienne modifiée (MOND) sont correctes, alors le schéma de désintégration de la gravité à très grande échelle devrait s'écarter des attentes théoriques traditionnelles ; cependant, cette mesure n’a pas détecté un tel écart. Les chercheurs estiment donc que, du moins aux échelles cosmiques actuellement testées, rien ne prouve que des modifications des lois de la gravité soient nécessaires pour expliquer les observations.

Gallardo a déclaré qu'il était surprenant que la loi du carré inverse proposée par Newton au 17ème siècle puisse encore être tenable à une si grande échelle de l'univers après être entrée dans le 21ème siècle. Lorsque Newton discutait de cette loi, il se concentrait principalement sur le mouvement des corps célestes au sein du système solaire. Aujourd’hui, les scientifiques ont étendu et testé ce principe à des échelles de distance et à des échelles de masse inimaginables à son époque.

Les chercheurs ont souligné que cela signifie que le problème de la « masse manquante » est plus difficile à expliquer avec « l'échec de la théorie de la gravité », mais soutient en outre l'existence d'un composant matériel dans l'univers qui n'a pas été directement observé, à savoir la matière noire. En d’autres termes, si la gravité elle-même ne se comporte pas anormalement à grande échelle, alors les effets gravitationnels supplémentaires dans les galaxies et les amas de galaxies proviendront probablement de sources de masse invisibles plutôt que de la réécriture des lois physiques.

Cependant, la recherche souligne également que la véritable nature de la matière noire reste l'un des problèmes non résolus les plus importants de la physique moderne. Ce travail renforce les preuves de « la matière noire comme l’un des composants de l’univers », mais il ne répond pas de quoi elle est réellement constituée. À l’avenir, à mesure que la précision des observations du rayonnement de fond cosmique s’améliore et que les projets d’étude des galaxies à plus grande échelle continuent de progresser, les scientifiques devraient mener des tests plus précis sur les lois de la gravité et les problèmes de matière noire.

Ce document de recherche est intitulé « Test de la loi de la gravitation à l'échelle cosmologique à l'aide de l'effet cinématique Sunyaev-Zeldovich » et a été publié dans « Physical Review Letters » le 15 avril 2026. La recherche a été réalisée en collaboration avec des chercheurs tels que P. A. Gallardo, et le projet a également reçu le soutien de la National Science Foundation et d'autres institutions.