Le satellite Microscope embarque une expérience de physique d'une précision inégalée (cent fois meilleure que celle des expériences terrestres) qui devra tester le principe d’équivalence à la base de la théorie de la relativité générale d’Einstein. © Cnes

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Le satellite Microscope, qui veut mettre Einstein à l'épreuve, débute ses tests scientifiques

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Le satellite Microscope va-t-il prendre à défaut Einstein qui, il y a plus de 100 ans, élaborait le principe d'équivalence énoncé par la théorie de la relativité générale ? Lancé en avril 2016, après une période de recette en vol, ce satellite du Cnes débute sa phase d'expérimentation. Premiers indices attendus en juin 2017 avant les résultats finaux en avril 2019.

Le satellite Microscope du Cnes, lancé en avril 2016, s'apprête à débuter ses mesures scientifiques. Depuis cette date, les opérateurs au sol se sont assurés de son bon fonctionnement et plusieurs tests de recette en vol ont « donné de premiers résultats particulièrement prometteurs » explique le Cnes dans son communiqué de presse.

Compte tenu de l'objectif scientifique, tester la validité du principe fondateur de la relativité générale, l'équivalence entre gravitation et accélération, élaborée par Albert Einstein et la précision de la mesure visée, au moins 10-15 (soit 15 chiffres après la virgule), il est évidemment nécessaire de s'assurer que les instruments à bord de Microscope sont réglés correctement.

Microscope (Microsatellite à traînée compensée pour l'observation du principe d'équivalence) est un satellite de petite taille construit autour de la plateforme Myriade du Cnes. L'ensemble a une masse de 300 kg pour des dimensions sous coiffe (c'est-à-dire panneaux solaires rétractés) de 1,4 m x 1 m x 1,5 m. © Cnes, D. Ducros

Une précision de mesure inédite

Pour mesurer ce principe d'équivalence dans l'espace, l'idée est de faire voler à l'intérieur du satellite, deux masses cylindriques concentriques constituées de matériaux différents et de vérifier avec une précision inédite si elles suivront la même chute libre et resteront immobiles l'une par rapport à l'autre, validant de fait le principe d'équivalence. Elles sont fournies par l'Onera, également partenaire de la mission.

Les défis sont de deux sortes. Le satellite doit compenser toutes les forces qui ne sont pas dues à la gravité de façon à ne pas perturber la mesure qui doit atteindre une précision 100 fois meilleure que toutes les expériences réalisées jusqu'à présent sur Terre« La position relative des deux masses d'épreuves est maintenue avec une précision de la taille de l'atome d'hydrogène, soit l'équivalent d'un millionième d'un cheveu ! »

Les mesures sont prévues pour durer pendant au moins 18 mois. Le Cnes prévoit de communiquer les résultats finaux de Microscope en avril 2019. Néanmoins, un premier point de performance est prévu en juin 2017, ce qui donnera une première indication sur la solidité de ce principe d'équivalence élaboré entre 1907 et 1915.

Pour en savoir plus

Microscope, un satellite lancé demain, va mettre Einstein à l'épreuve

Article de Rémy Decourt paru le 21/04/2016

Avec le satellite Microscope, les physiciens veulent tester dans l'espace le principe d'équivalence, énoncé par la théorie de la relativité générale. La précision demandée est telle que la mise au point de l'engin a été un casse-tête, par exemple pour tenir compte des infimes craquements produits dans les réservoirs. Yves André, chef de projet de la mission au Cnes, nous raconte la dure réalisation de ce satellite aux performances exceptionnelles.

Demain, Soyouz ne lancera pas seulement Sentinel 1B. Il emportera dans l'espace trois nanosatellites et Microscope, une expérience délicate pour tester le principe d'équivalence. Constaté par Galilée puis par Newton et à la base de la théorie de la relativité générale d’Einstein, il stipule que la masse inertielle, qui se manifeste quand un objet en mouvement est accéléré ou freiné, et la masse pesante, qui génère la force de gravitation, sont équivalentes. Yves André, chef de projet de la mission Microscope, nous explique ce qu'est cette « expérience conçue sur la base d'un microsatellite de la filière Myriade du Cnes » et les contraintes techniques à prendre en compte dans la réalisation de ce satellite intégré dans les installations toulousaines du Cnes.

Bien connu, ce principe d'équivalence a été vérifié avec un degré de précision de l'ordre de 10-13« Il est toutefois encore mis à l'épreuve car les nouvelles théories - qui cherchent à concilier la gravitation avec les autres interactions fondamentales (nucléaires et électromagnétique) - prédisent qu'il pourrait être violé à un niveau très faible. »

Les scientifiques veulent donc obtenir une précision meilleure encore, au moins 10-15 (soit 15 chiffres après la virgule). Pour cela, « il est nécessaire de s'affranchir des contraintes liées à la gravité terrestre et envoyer une expérience dans l'espace ». Ce sera Microscope, acronyme de Microsatellite à traînée compensée pour l'observation du principe d'équivalence, que le Cnes a décidé en 2000.

Intégration de la plateforme Myriade du satellite Microscope au Centre spatial de Toulouse. Après Demeter, Parasol et Picard, Microscope est le troisième microsatellite de la filière Myriade du Cnes. © Cnes, Girard Sébastien, 2014

Des contraintes techniques nombreuses

Pour mesurer ce principe d'équivalence dans l'espace, le Cnes a besoin d'un satellite aux performances inhabituelles. L'idée est de faire voler à l'intérieur du satellite deux masses cylindriques concentriques constituées de matériaux différents. « L'une est en titane et l'autre en alliage de platine et de rhodium. Elles seront minutieusement contrôlées afin de rester immobiles par rapport au satellite dans un double accéléromètre électrostatique différentiel. »

Si le principe d'équivalence est vrai, « ces deux masses suivront la même chute libre et resteront immobiles l'une par rapport à l'autre ». Au sol, les scientifiques vérifieront si l'accélération utilisée pour les maintenir en place est identique. Si des accélérations différentes doivent être appliquées, alors il y aura violation du principe d'équivalence, ce qui constituerait un événement majeur pour la physique« Cela donnerait des indications sur une théorie allant au-delà de la relativité générale d'Einstein, comme la théorie des cordes » souligne Yves André, ingénieur de formation (ENSICA) et docteur en astrophysique .

Partenaire de la mission, l'Onera fournit les deux masses d’épreuve et les accéléromètres dérivés de ceux du satellite Goce. L'expérience Microscope répond à des critères techniques bien précis. « La réalisation du satellite n'a pas été simple, précise d'emblée Yves André. Il a d'abord fallu adapter la plateforme Myriade, habituée à héberger des satellites de 100 à 150 kg, aux 300 kg de Microscope. » De plus, « à la différence des précédents satellites dont les instruments se trouvent à l'extérieur de la plateforme, ceux de Microscope sont à l'intérieur du satellite ». Cette architecture inhabituelle s'explique par « la nécessité de placer l'expérience à l'abri de toutes les perturbations et forces non gravitationnelles ». Enfin, alors que sur un satellite normal, l'orbite est corrigée de temps à autre, les mouvements de Microscope doivent être pilotés continûment. « L'accélération linéaire et l'attitude du satellite sont contrôlées à chaque instant. Les forces perturbatrices, essentiellement le frottement de l'atmosphère résiduelle et les forces magnétiques, sont contrées en permanence. » Ce qui doit permettre un mouvement purement gravitationnel. Pour cela, le satellite sera équipé de « huit micropropulseurs à gaz froid capables de compenser les plus infimes perturbations d'attitude et d'accélération ».

Ce contrôle des mouvements fut un des points durs de la mission. À l'origine, Microscope devait utiliser des propulseurs électriques fournis par l'Esa. « Mais ils n'étaient pas technologiquement prêts. » En 2010, il a été décidé de les remplacer par des propulseurs à gaz froid qui permettront « les poussées de l'ordre du micronewton dont le satellite aura besoin ». Ces propulseurs sont dérivés de ceux qui équipent le satellite d'astrométrie Gaia et sont identiques à ceux du démonstrateur Lisa Pathfinder.

Octobre 2014. Intégration des deux accéléromètres de l’instrument T-Sage qui constitue le cœur de la charge utile du satellite Microscope. Les deux accéléromètres seront ensuite entourés d’un blindage puis recouverts de MLI. L'ensemble sera placé au centre de la plateforme du satellite, un emplacement peu commun pour une charge utile. © Cnes, Girard Sébastien, 2014

La précision exigée impose de surprenantes précautions

Pour atteindre le niveau de précision requis (10-15), les équipes du projet ont cherché tous les éléments du satellite et les effets susceptibles de perturber la mesure réalisée à l'aide des deux masses d'épreuve. « Des questions que l'on n'a pas l'habitude de se poser pour la réalisation d'un satellite ! ». Et elles sont nombreuses. Par exemple, dans les réservoirs, des variations dans la répartition des températures peut faire varier le centre de gravité du satellite et engendrer ainsi un faux signal sur les accéléromètres. D'autre part, ils peuvent produire des petits bruits provoquant des accélérations minuscules mais perturbatrices pour l'expérience. En effet, lorsqu'ils ils sont pleins, « ils sont dilatés, de sorte qu'ils se dégonflent au fur et à mesure qu'ils se vident », ce qui peut générer des petits craquements. Plus surprenant, les fils électriques sont également susceptibles de perturber les mesures de l'instrument. « Quand le courant électrique circule en présence du champ magnétique, une force apparaît (la force de Laplace) et ils peuvent alors bouger. » La protection thermique peut elle aussi perturber les mesures. « Elle n'est pas parfaitement plate. Sous l'effet de la chaleur du Soleil, les bosses et les creux ont tendance à se déplacer, ce qui peut créer des microperturbations. » Outre ces contraintes techniques prévisibles, les équipes du Cnes devront « également tenir compte de phénomènes sporadiques comme la collision avec des micrométéorites ».

Quant à l'instrument, l'Onera a rencontré beaucoup de difficulté pour le mettre au point. Il reprend le « même concept de la lévitation électrostatique d'une masse d'épreuve sans contact » nous explique Pierre Touboul, chercheur à l'Onera et principal investigateur de la mission. Chaque masse d'épreuve est entourée d'électrodes sur lesquelles sont appliquées des tensions électriques. « Les champs électriques qui l'entourent sont contrôlés de façon à créer des pressions électrostatiques sur la masse afin de limiter ses déplacements par rapport à la structure de l'instrument à des niveaux quasiment nuls, d'échelle subatomique. C'est la mesure de ces forces appliquées qui permet de mesurer les accélérations extrêmement faibles subies par les masses d'épreuve. »

L'expérience serivra d'autres scientifiques. À la suite d'un appel à idées lancé par le Cnes, en effet, il a été décidé d'attribuer à la mission quelques objectifs secondaires. On citera en exemple une « étude sur le champ de gravité terrestre de façon à compléter les données de Goce ». Une autre, portant sur la haute atmosphère, « vise à mieux comprendre et caractériser la compensation de la traînée atmosphérique » et une troisième évaluera « les perturbations environnementales propres à un satellite dans l'optique de futures missions de ce type ».

L'hypnotisant assemblage d'un satellite en time-lapse  Dans le vide, tous les corps tombent à la même vitesse, du moins c’est ce que dit la théorie. Afin de mettre ce concept à l’épreuve, les scientifiques du Cnes ont développé le satellite Microscope. Bientôt prêt au lancement, le voici assemblé en time-lapse durant cette vidéo.