L'Univers et les particules élémentaires: la relativité générale
La théorie de la relativité générale, ou théorie einsteinienne de la gravitation (1916), a établi que la géométrie de l’espace-temps (à quatre dimensions, trois d’espace et une de temps) est influencée par le contenu matériel de l’Univers. La présence de toute distribution de masse, ou de façon équivalente d’énergie (E = me2) dans l’Univers, engendre une déformation qui sous tend toute mesure de durée ou de distance. La déformation est d’autant plus forte que la distribution d’énergie considérée est plus concentrée (c’est-à-dire correspond à une plus grande densité de masse-énergie).
Il en résulte que le temps s’écoule plus lentement au voisinage d’une concentration de masse. Cette conséquence a été maintes fois vérifiée en comparant des horloges atomiques situées à des hauteurs différentes dans le champ gravitationnel de la Terre. Bien que cet effet soit infime, il doit néanmoins être pris en compte dans le système de positionnement GPS (Global Positioning System). En effet, la stabilité des horloges atomiques actuelles, et donc la sensibilité de la mesure de position, autorise des mesures dix mille fois plus précises que celles qui seraient réalisées si l’on ignorait la variation du lythme des horloges induite par la pesanteur. La relativité générale se révèle indispensable aux multiples applications de cette technologie (atterrissage des avions, localisation des bateaux, guidage de certaines armes ou des voitures, etc.).
De plus, la théorie prédit que la déformation de la géométrie spatiotemporelle de l’espace-temps doit se propager à la vitesse de la lumière, à partir de sa source, sous forme d’ondes dites « ondes gravitationnelles ». Cette prédiction a été confirmée par des observations de haute précision du mouvement orbital de deux étoiles à neutrons (pulsars binaires) qui sont en accord parfait avec les calculs théoriques montrant que la propagation de la géométrie de l’espace-temps, à la vitesse de la lumière, entre les deux étoiles induit un effet de diminution de la période orbitale. Cet effet est très petit (la période orbitale diminue d’un millième de milliardième par tour), mais il a été observé avec une précision de 0,1 %. Toutefois, les ondes gravitationnelles n’ont pas encore été observées directement sur Terre. De plus cette théorie prévoit qu’il peut exister des trous noirs. Lorsque la concentration de masse dans un petit
volume dépasse une certaine limite, la structure de l’espace-temps s’effondre sur elle-même et crée une région d’où la lumière ne peut plus s’échapper : le trou noir. Il semble aujourd’hui que la plupart des galaxies possèdent un ou plusieurs trous noirs. En 2002, le télescope VLT (Very Large Telescope) a mis en évidence au sein même de la Voie lactée, c’est-à-dire de notre propre galaxie, un trou noir environ 3,5 millions de fois plus massif que le Soleil. L’effondrement lui-même qui donne naissance au trou noir n’a pas encore été observé directement. Mais de grands projets internationaux récents (LIGO aux États-Unis, VIRGO et GEO en Europe) ont pour objectif l’observation d’ondes gravitationnelles, en particulier celles qui seraient émises lors de la phase finale du mouvement orbital d’un système de deux trous noirs (conduisant à leur coalescence pour n’en former qu’un seul).