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KiDS-Legacy: Constraints on Horndeski gravity from weak lensing combined with galaxy clustering and cosmic microwave background anisotropies

En combinant les données de lentilles gravitationnelles faibles de KiDS-Legacy avec d'autres sondages cosmologiques, cette étude impose des contraintes rigoureuses sur la gravité modifiée de type Horndeski, révélant une légère préférence pour ce modèle par rapport à la relativité générale tout en confirmant la compatibilité des paramètres de croissance des structures avec le modèle ΛCDM.

Auteurs originaux : Benjamin Stölzner, Robert Reischke, Matteo Grasso, Matteo Cataneo, Benjamin Joachimi, Arthur Loureiro, Alessio Spurio Mancini, Angus H. Wright, Marika Asgari, Maciej Bilicki, Andrej Dvornik, Christos

Publié 2026-03-18

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Benjamin Stölzner, Robert Reischke, Matteo Grasso, Matteo Cataneo, Benjamin Joachimi, Arthur Loureiro, Alessio Spurio Mancini, Angus H. Wright, Marika Asgari, Maciej Bilicki, Andrej Dvornik, Christos Georgiou, Benjamin Giblin, Catherine Heymans, Hendrik Hildebrandt, Shahab Joudaki, Konrad Kuijken, Shun-Sheng Li, Laila Linke, Constance Mahony, Lauro Moscardini, Lucas Porth, Mario Radovich, Tilman Tröster, Maximilian von Wietersheim-Kramsta, Ziang Yan, Mijin Yoon, Yun-Hao Zhang

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

🌌 Le Grand Débat : La Recette de l'Univers

Imaginez que l'Univers est un immense gâteau qui ne cesse de grandir. Pendant des décennies, les cosmologues ont utilisé une recette standard, appelée ΛCDM (Lambda-CDM). Cette recette dit :

Il y a de la matière normale (les ingrédients visibles).
Il y a de la "matière noire" (un ingrédient invisible qui aide le gâteau à tenir ensemble).
Il y a de l'"énergie noire" (un gaz magique qui pousse le gâteau à s'étirer de plus en plus vite).
La gravité, c'est la colle qui maintient tout ça ensemble, et elle fonctionne exactement comme Newton et Einstein l'ont décrit il y a des siècles.

Mais, il y a un petit problème. Quand on regarde de très près comment les galaxies s'agglutinent (comme des grappes de raisin), les mesures récentes semblent dire : "Attendez, il y a trop de grappes ! La colle est peut-être plus forte que prévu, ou alors notre recette de gravité est incomplète."

C'est là que cette nouvelle étude, menée par une équipe internationale utilisant les données du KiDS-Legacy (un gigantesque relevé du ciel), entre en jeu.

🔍 L'Enquête : Tester de nouvelles "Lois de la Gravité"

Les chercheurs se sont demandé : "Et si la gravité ne fonctionnait pas exactement comme Einstein l'a dit ?"
Ils ont testé une famille de théories alternatives appelées théories de Horndeski.

L'analogie du "Moteur de Voiture"
Imaginez que la gravité est le moteur de notre voiture (l'Univers).

La théorie d'Einstein (GR) est le manuel du constructeur : le moteur fonctionne parfaitement, il consomme du carburant (énergie noire) et avance.
Les théories de Horndeski sont comme des modifications de moteur. Peut-être que le moteur a un turbo caché ? Peut-être qu'il y a un réservoir d'essence supplémentaire ? Peut-être que la gravité change légèrement de comportement quand l'Univers devient vieux ?

Pour tester cela, les chercheurs n'ont pas seulement regardé le moteur, ils ont utilisé trois types de caméras pour voir comment l'Univers se comporte :

La lentille faible (KiDS) : C'est comme regarder des objets à travers un verre déformé. La lumière des galaxies lointaines est tordue par la matière sur son chemin. Cela permet de "peser" la matière noire et de voir comment elle s'agglomère.
Les oscillations acoustiques (DESI/eBOSS) : C'est comme mesurer la distance entre les voitures sur une autoroute pour voir si elles s'éloignent à la vitesse attendue.
Le fond diffus cosmologique (Planck) : C'est la "photo de bébé" de l'Univers, prise juste après sa naissance. Elle nous dit comment tout a commencé.

🧪 Le Résultat : La Recette Standard Resiste (Mais de justesse)

Après avoir combiné toutes ces données avec une nouvelle méthode de calcul très intelligente (qui évite les erreurs mathématiques), voici ce qu'ils ont trouvé :

La gravité d'Einstein est toujours la championne : Les données montrent que l'Univers se comporte presque exactement comme le prédit la théorie d'Einstein. Les théories alternatives (Horndeski) ne sont pas "prouvées" par les données.
Un petit soupçon de mystère : Cependant, les théories alternatives offrent un légèrement meilleur ajustement aux données que la recette standard. C'est comme si la nouvelle recette de gâteau avait un goût un tout petit peu plus riche, mais pas assez pour que les juges changent d'avis. La différence est très faible (environ 1,4 fois la marge d'erreur statistique).
La "Colle" est un peu plus forte ? Les chercheurs ont trouvé une petite indication que la force de la gravité (ou la façon dont elle lie les galaxies) pourrait être légèrement supérieure à ce qu'on pensait. C'est une déviation d'environ 3% par rapport à la norme, ce qui est intrigant mais pas encore une preuve formelle.

🎭 L'Analogie du "Costume sur Mesure"

Pour faire simple, imaginez que vous essayez un costume (la théorie de la gravité).

Le costume standard (Einstein) vous va très bien, mais il est un peu serré au niveau des épaules (les galaxies s'agglutinent trop).
Les chercheurs ont essayé des costumes modifiés (Horndeski) avec des épaules plus larges.
Le verdict : Le costume modifié vous va un tout petit peu mieux, mais la différence est si subtile que vous ne pouvez pas dire avec certitude : "Ah oui, c'est définitivement celui-là !" Il est tout aussi probable que le costume standard soit juste et que le tissu ait simplement un peu rétréci.

🚀 Conclusion : Pourquoi c'est important ?

Même si cette étude ne renverse pas la physique actuelle, elle est cruciale pour deux raisons :

Elle élimine des suspects : Elle nous dit quelles versions de "nouvelles lois de la gravité" sont impossibles. C'est comme dire : "Le suspect n'était pas dans la pièce à 20h00".
Elle prépare l'avenir : Les données du KiDS-Legacy sont les plus précises jamais obtenues pour ce type d'observation. Elles montrent que nous sommes à la limite de nos capacités. Pour trancher définitivement si la gravité a besoin d'une mise à jour, il faudra attendre les prochains télescopes encore plus puissants.

En résumé : L'Univers continue de suivre les règles d'Einstein, mais il y a une petite "tension" dans le tissu de la réalité qui intrigue les scientifiques. Pour l'instant, la théorie standard reste le meilleur candidat, mais la porte reste ouverte pour une petite révolution future.

1. Problématique et Contexte

Le modèle cosmologique standard, le $\Lambda$ CDM (Matière Noire Froide et Énergie Sombre), a connu un grand succès mais fait face à des défis théoriques (nature de la constante cosmologique) et observationnels (tensions sur le taux d'expansion $H_0$ et sur l'amplitude des fluctuations de matière $S_8$ ). Une alternative majeure consiste à modifier la théorie de la gravité à grande échelle plutôt que d'introduire une énergie sombre exotique.

La classe de théories de Horndeski représente la théorie scalaire-tensorielle la plus générale en quatre dimensions avec des équations du mouvement d'ordre deux. Cependant, l'exploration de cet espace de paramètres via des analyses de type Monte Carlo par Chaîne de Markov (MCMC) se heurte à des difficultés majeures :

Instabilités physiques : De nombreux points dans l'espace des paramètres de Horndeski conduisent à des instabilités (fantômes, gradients, tachyons), rendant les modèles non viables.
Inefficacité de l'échantillonnage : Les algorithmes classiques passent la majorité du temps à explorer des régions instables, ce qui rend l'analyse coûteuse et inefficace.
Biais de paramétrisation : Les paramétrisations traditionnelles basées sur les fonctions $\alpha_i(t)$ ne garantissent pas par construction la stabilité des modèles.

L'objectif de cet article est de contraindre la classe de Horndeski en utilisant les dernières données du KiDS-Legacy (Kilo-Degree Survey) combinées à d'autres sondes cosmologiques, en employant pour la première fois une paramétrisation intrinsèquement stable.

2. Méthodologie

L'analyse repose sur une approche rigoureuse combinant plusieurs sondes cosmologiques et un cadre théorique amélioré.

A. Données Utilisées

Les auteurs combinent les données suivantes pour une analyse conjointe :

KiDS-Legacy (Weak Lensing) : La cinquième et dernière libération de données du KiDS, fournissant des mesures de cisaillement cosmique (cosmic shear) sur six tranches de décalage spectral ( $0.1 < z_B \le 2.0$ ).
DESI (BAO) : Mesures des oscillations acoustiques des baryons (BAO) de la deuxième libération de données du Dark Energy Spectroscopic Instrument.
eBOSS (RSD) : Mesures des distorsions de l'espace des redshifts (RSD) provenant du relevé étendu BOSS, sondant la croissance des structures.
Planck (CMB) : Anisotropies du fond diffus cosmologique (température et polarisation) de la mission Planck.

B. Cadre Théorique et Paramétrisation Stable

Le cœur de l'innovation méthodologique réside dans l'utilisation du code mochi_class (extension de hi_class et CLASS) qui implémente une paramétrisation de Horndeski basée sur les fonctions de base stables proposées par Kennedy et al. (2018).

Au lieu de paramétrer directement les fonctions $\alpha_i(t)$ (kineticité, vitesse des ondes gravitationnelles, etc.), l'analyse utilise une base de paramètres qui garantit par construction l'absence d'instabilités de gradient et de fantômes :

$D_{kin}$ : Terme cinétique « démélangé » de la perturbation du champ scalaire.
$\Delta M_*^2$ : Déviation de la masse de Planck effective par rapport à sa valeur fiduciale ( $M_*^2 - 1$ ).
$c_s^2$ : Vitesse du son effective (fixée ou variée selon les scénarios).
$\alpha_{B,0}$ : Condition initiale du terme de tressage (braiding).

Les auteurs testent deux configurations principales de cette base stable :

Variation de $\hat{D}_{kin}$ et $\Delta\hat{M}_*^2$ (avec $c_s^2$ fixe).
Variation de $\hat{D}_{kin}$ et $\hat{c}_s^2$ (avec $\Delta\hat{M}_*^2$ fixe).
Une comparaison est également faite avec la paramétrisation traditionnelle via les fonctions $\hat{\alpha}_B$ et $\hat{\alpha}_M$ .

C. Modélisation des Observables

Lentilles faibles : Utilisation de l'approximation quasi-statique pour les couplages gravitationnels effectifs ( $\mu$ ) et le glissement gravitationnel ( $\gamma$ ). Un mécanisme de screening de Vainshtein est intégré pour récupérer la Relativité Générale (GR) aux petites échelles.
Croissance des structures : Calcul de $f\sigma_8(z)$ sans hypothèses spécifiques à la GR pour les RSD.
CMB : Prise en compte de l'effet ISW et de la lentille gravitationnelle du CMB (paramètre $A_L$ marginalisé).

3. Résultats Clés

A. Contraintes sur les Paramètres Cosmologiques ( $S_8$ )

La contrainte sur le paramètre de croissance des structures $S_8 = \sigma_8 \sqrt{\Omega_m/0.3}$ est robuste.
Pour la paramétrisation stable ( $\hat{D}_{kin}, \Delta\hat{M}_*^2$ ) : $S_8 = 0.813^{+0.008}_{-0.011}$ .
Ce résultat est compatible avec les contraintes du modèle $\Lambda$ CDM de Planck à 0.54 $\sigma$ , résolvant la tension précédente observée dans les analyses KiDS-Planck.
La précision sur $S_8$ reste comparable à celle du $\Lambda$ CDM, indiquant que l'ajout de paramètres de gravité modifiée ne dégrade pas significativement la contrainte sur la croissance des structures grâce à la paramétrisation stable.

B. Contraintes sur la Gravité Modifiée (Horndeski)

Déviation de la masse de Planck : $\Delta\hat{M}_*^2 = 0.32^{+0.07}_{-0.21}$ . Cela correspond à une déviation de 1.5 $\sigma$ par rapport à la GR ( $\Delta M_*^2 = 0$ ).
Terme cinétique démélangé : $\hat{D}_{kin} = 3.74^{+0.69}_{-1.92}$ .
Couplage Newtonien Effectif : La déviation du couplage Newtonien effectif à petite échelle est $\Delta\mu_{\infty,eff} = 0.066 \pm 0.023$ , soit une signification de 2.9 $\sigma$ .
Terme de tressage (Braiding) : Une préférence pour des valeurs positives du terme de tressage à $z=0$ est observée ( $\alpha_{B,0} \approx 1.44$ ), avec une déviation de 1.9 $\sigma$ par rapport à la GR.

C. Comparaison des Modèles

Bien que les modèles de gravité modifiée offrent un ajustement légèrement meilleur aux données (réduction du $\chi^2$ ), la comparaison de modèles (test de suspicion de Bayes) ne montre qu'une préférence faible pour la gravité modifiée au niveau de 1.4 $\sigma$ .
Les données sont donc globalement compatibles avec le modèle $\Lambda$ CDM standard.
L'ajout des données KiDS-Legacy réduit les incertitudes sur les paramètres de gravité modifiée de manière significative (jusqu'à 67% pour certaines combinaisons), démontrant que le cisaillement cosmique est le moteur principal de ces contraintes, surpassant même la contribution du CMB pour certains paramètres.

D. Évolution Dynamique de l'Énergie Sombre

Lorsque l'on libère l'équation d'état de l'énergie sombre ( $w_0, w_a$ ) :

Les contraintes sur les paramètres de gravité modifiée restent stables par rapport au cas $\Lambda$ CDM.
Une préférence légère (1.57 $\sigma$ ) pour l'énergie sombre dynamique apparaît, mais elle est fortement atténuée lorsque le paramètre d'anomalie de lentille du CMB ( $A_L$ ) est marginalisé.

4. Contributions Majeures

Première analyse cosmologique dans une base de paramètres intrinsèquement stable : L'article applique pour la première fois la paramétrisation de Kennedy et al. (2018) à une analyse complète de données réelles (KiDS-Legacy + autres sondes), évitant les problèmes d'instabilité numérique et physique.
Validation de la robustesse du cisaillement cosmique : Démonstration que le cisaillement cosmique (weak lensing) est aussi, voire plus, contraignant que le CMB pour les paramètres de Horndeski, en particulier pour briser les dégénérescences entre les paramètres de croissance et de lentille.
Résolution de la tension $S_8$ : Confirmation que les données KiDS-Legacy, combinées aux autres sondes, sont compatibles avec le $\Lambda$ CDM, éliminant la tension précédente.
Analyse comparative des paramétrisations : Mise en évidence que les contraintes sur les fonctions dérivées ( $\alpha_B, \alpha_M$ ) dépendent fortement du choix de la base de paramètres (stable vs traditionnelle), soulignant la nécessité de rapports de résultats dans des bases physiques claires.

5. Signification et Conclusion

Cette étude confirme que les données actuelles de cisaillement cosmique, couplées aux mesures de BAO, RSD et CMB, sont largement compatibles avec la Relativité Générale et le modèle $\Lambda$ CDM.

Bien que des déviations de la GR soient détectées à un niveau de signification allant jusqu'à 2.9 $\sigma$ pour le couplage Newtonien effectif, ces écarts ne suffisent pas à justifier statistiquement un modèle de gravité modifiée par rapport au modèle standard (préférence inférieure à 1.5 $\sigma$ ).

L'importance principale de ce travail réside dans la méthodologie : l'utilisation d'une base de paramètres stable permet d'explorer l'espace des théories de Horndeski de manière efficace et physiquement viable, ouvrant la voie pour des analyses futures avec des sondes de nouvelle génération (comme Euclid ou le LSST) où la précision des données rendra cruciale la gestion rigoureuse des instabilités théoriques. Les résultats suggèrent que si la gravité modifiée existe, ses effets doivent être subtils et compatibles avec les prédictions de la Relativité Générale aux échelles observées.