Cet article est écrit par Marine, ingénieure de l’ESTACA, et actuellement doctorante CNES au CEA-Saclay sur le James Webb Space Télescope à l’étude des exoplanètes. Vous pourrez la retrouver à partir de début 2018 au Palais de la Découverte de Paris à l’exposé sur les exoplanètes de la section Astronomie.

Le satellite MICROSCOPE (Micro-Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence) est un satellite scientifique du CNES en collaboration étroite avec plusieurs laboratoires de recherche, notamment l’ONERA et l’Observatoire de la Côte d’Azur. Il a pour but de mettre à l’épreuve le principe d’équivalence qui, de Galilée à Einstein, est aujourd’hui au cœur des théories physiques de la gravitation.

L’objectif étant de mesurer la chute libre de corps de composition différente a entraîné des défis techniques. Défis relevés puisque le satellite a été lancé le 25 avril 2017

L’article parlant de Microscope avant le lancement

Objectif de Microscope : tester si le Principe d’équivalence est respecté

Le Principe d’Équivalence a été énoncé par Galilée, formalisé par Newton et révolutionné par Einstein. Il stipule que le comportement d’un objet soumis uniquement à la gravité ne dépend pas de sa masse. En pratique, la première expérience de Galilée, il y a cinq siècles a montré qu’un objet en plomb, et une feuille de papier froissé (minimisant donc la contribution des frottements de l’air), lâchés de hauteur d’homme, atteignent le sol au même moment. Cette expérience a ainsi été reproduite un grand nombre de fois depuis sans jamais mettre le principe d’équivalence en défaut.

Exemple ici dans une chambre à vide avec une masse et des plumes :

La loi de la gravitation universelle de Newton en découle directement, expliquant la chute des corps sur Terre, aussi bien que les mouvements des corps dans l’espace comme celui de la Lune autour de la Terre. Newton théorise donc le fait que la Lune tombe sur la Terre en permanence, mais la rate systématiquement du fait de sa vitesse. Ce mouvement ne dépend pas de la masse de la Lune mais uniquement de celle de la Terre, conditionnant la force d’attraction autour d’elle.

Einstein a basé sa théorie de la Relativité Générale sur ce principe. Ici il ne dit plus que la lune tombe, mais utilise un autre principe de Newton. Le premier principe stipule que tout corps, soumis à aucune force, se déplace en mouvement rectiligne (ligne droite) et uniforme (sans variation de vitesse). Einstein explique alors que la notion de « rectiligne » est modifiée et que la gravité n’est pas une force mais une déformation de l’espace. La Lune avance autour de la Terre dans une ligne droite, que la Terre a déformée du fait de sa masse.

Comme son nom l’indique, c’est un principe. C’est-à-dire qu’il n’a pas d’explication, il ne se repose sur aucune base théorique ou physique, c’est la base théorique. Ce principe, surtout au centre de théories aussi importantes a besoin d’être vérifié, et ne peut l’être que par l’expérience.

La mesure

Ce principe a été mesuré de multiples fois, de plus en plus précisément au cours du vingtième siècle. Ce qu’on mesure exactement, c’est un facteur des accélérations appelé « paramètre de Eötvös » entre deux corps comparés A et B : δ_AB=(2 (a_A-a_B))/(a_A+a_B ) !

Ce paramètre est nul si les corps ont la même accélération. On cherche donc à avoir le plus de chiffre après la virgule et à vérifier que ce ne sont bien que des zéros.

Les meilleures précisions ont été atteintes par un pendule à torsion en 2012 avec une précision de δ_AB=〖10〗^(-13), c’est à dire qu’on trouve bien douze zéros après la virgule, le treizième chiffre étant différent, mais incertain. Au-delà de cette précision, les perturbations prennent le dessus et la mesure devient impossible au sol. Le satellite MICROSCOPE atteindra 100 fois cette précision avec des mesures de perturbations précises et un temps de chute long, sur plus de cinq millions de kilomètres autour de la Terre. Différents paramètres pouvant influencer cette chute sont pris en compte dans des modèles et pourront alors être enfin testés.

Défis techniques

Au cours de cette chute, et pour garantir une expérience de chute libre la plus pure possible, les ingénieurs ont dû trouver des moyens de s’affranchir de toutes les autres perturbations identifiées qui pourraient perturber le mouvement à l’intérieur de l’instrument.

L’instrument en lui-même, T-SAGE comporte deux accéléromètres différentiels identiques sur le principe. Deux masses sont lâchées à l’intérieur d’un espace confiné et y sont maintenues au centre à l’aide de forces électrostatiques. Les corrections de champs nécessaires au maintien de ces masses au centre de l’espace sont enregistrées comme autant de perturbations contrées. Les deux masses doivent avoir exactement le même comportement, la comparaison des champs magnétiques appliqués doit donc donner un résultat nul. Un des accéléromètres sert de témoin, pour vérifier que le concept de la mesure n’est pas en défaut et mesurer les bruits, et comporte des masses de même composition (platine). L’autre comporte des masses de compositions différentes (platine/titane). C’est ce dernier qui fait l’objet de l’expérience. Si une différence significative est observée dans les champs magnétiques appliqués aux deux masses, alors le principe d’équivalence est violé.

Ces mesures sont d’une précision telle que la traînée atmosphérique, pourtant dans un air extrêmement raréfié est une perturbation majeure, ainsi que la pression de radiation solaire, appliquée par les photons sur le satellite. Les contraintes sur le système de contrôle d’attitude sont donc extrêmement exigeantes puisque demandant une correction constante de l’attitude du satellite.

Premiers résultats de Microscope

La mise en service du satellite a pu être effectuée en septembre dernier, après la vérification que les performances de l’instrument correspondaient bien aux exigences des scientifiques.

Les premières analyses des résultats, publiées début décembre 2017 dans Physical Review Letters par le consortium scientifique, n’ont toujours pas trouvé de violation du principe d’équivalence, avec une précision de l’ordre de δ_AB=〖10〗^(-14) soit une précision dix fois supérieure aux meilleures expériences sur Terre. La conduite de la suite de l’expérience permettra d’atteindre une précision d’environ δ_AB=〖10〗^(-15).

Une violation du principe d’équivalence conduirait à considérer que la relativité générale d’Einstein n’est pas l’ultime théorie de la gravitation comme considérée aujourd’hui. Ce serait un nouvel indice et un pas de plus vers l’unification de la gravitation à grande échelle et de la mécanique quantique, toujours en désaccord. Ce sont des phénomènes qui permettent de contraindre et comprendre ce qui se passe aux moments extrêmes (Big Bang) ou dans les lieux extrêmes (trous noirs, cœur des atomes) de l’univers.

Les scientifiques attendent donc avec impatience les prochains résultats de ces expériences. Le satellite est prévu pour une durée de vie de deux ans.

Si la mission MICROSCOPE ne trouve toujours pas de résultat allant à l’encontre du principe d’équivalence, il faudra des tests toujours plus précis pour aller plus loin encore dans la précision de cette mesure. C’est là tout le paradoxe de la science, il est impossible de valider le principe d’équivalence, le travail du scientifique est alors de tordre et de torturer sa théorie, de la pousser à bout et de chercher son point de rupture.

Sources :

(1) J. Bergé et al. 2017, MICROSCOPE: five months after launch, 11th International LISA Symposium, IOP Publishing. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/840/1/012028/pdf

(2) P. Touboul et al. 2017, MICROSCOPE Mission: First Results of a Space Test of the Equivalence Principle, Physical Review Letters. http://science.sciencemag.org/content/358/6367/1117.full

(3) CNES YouTube Channel, MICROSCOPE, l’expérience de physique ultime, 2017 https://www.youtube.com/watch?v=Z7CVjWykPsQ

(4) Site internet de MICROSCOPE https://microscope.cnes.fr/fr/premiers-resultats-de-la-gravite-au-microscope