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Une carte de quasars au service... du GPS

ActualitéClassé sous :Astronomie , technologie , International Celestial Reference Frame

Naviguer à l'aide d'un GPS, c'est utiliser la courbure de l'espace-temps et l'existence de trous noirs massifs. Aujourd'hui, ce système de navigation a encore gagné en précision, cette fois grâce à une nouvelle carte de la position de certains quasars.

Une carte de la voûte céleste montrant 295 quasars parmi les trois mille recensés par la carte ICRF2. Crédit : Dave Boboltz / USNO

A quoi peut bien servir l'étude de la relativité générale et celle des trous noirs supermassifs installés à des milliards d'années-lumière ? Ne vaut-il pas mieux dépenser de l'argent sur des problèmes concrets, utiles dans la vie de tous les jours ? Si les chercheurs avaient tous suivi ce genre de raisonnement, nous ne disposerions pas aujourd'hui de technologies comme celle du Global Positioning System (GPS).

Sans les travaux de Riemann, Minkowski et Einstein, en effet, nous ne saurions pas décrire et comprendre l'effet de la courbure de l'espace-temps sur le rythme des horloges plongées dans un champ de gravitation. Plus le champ de gravitation est fort aux abords d'un astre plus le temps s'y écoule lentement. Ainsi, plus on s'éloigne de la surface de la Terre plus une horloge atomique mesurera un écoulement du temps rapide par rapport à celui d'une autre horloge restée au sol.

L'effet est très faible et les astronautes en orbite à bord de l'ISS ne reviennent pas sur Terre sensiblement plus âgés, si ce n'est de quelques fractions de seconde seulement. Toutefois, on ne peut plus négliger les effets relativistes lorsqu'on cherche à mesurer précisément la position d'un objet sur Terre en mesurant les distances à partir des temps de trajets d'ondes électromagnétiques entre cet objet et des satellites en orbite.

Sans la prise en compte des effets sur le temps prédits et calculés par les équations de la relativité générale, le GPS deviendrait vite inutilisable. Il existe d'ailleurs une anecdote connue, selon laquelle un général américain qui ne croyait pas à la théorie de la relativité avait sommé les ingénieurs à l'origine des premiers essais du réseau GPS de ne pas tenir compte de la « fumeuse théorie » d'Albert Einstein. Il dut se rendre à l'évidence. Sans les corrections de temps impliquées par la relativité générale, il finissait par perdre ses troupes...

Même en tenant compte de la relativité, ce n'est cependant pas suffisante pour obtenir une haute précision avec le GPS. En effet, la connaissance de la position des satellites en orbite est elle aussi nécessaire. Mais la position par rapport à quoi ?

Le géoïde est un référentiel imparfait

Du fait des forces de marée du Soleil et de la Lune ainsi des changements de répartition de grandes masses terrestres (par exemple les courants océaniques et la circulation atmosphérique), notre planète effectue en réalité une série de mouvements complexes dont la précession simple d'une toupie ne rend pas compte. Il se pose alors la question d'un référentiel suffisamment fixe pour que l'on puisse y rapporter les mouvements des satellites avec une très grande précision.

On pourrait penser utiliser la position sur la sphère céleste de quelques étoiles immobiles comme cela se fait depuis longtemps déjà. Malheureusement, les étoiles de la Galaxie ne sont pas vraiment fixes comme on le pensait du temps d'Aristote et même encore du temps de Galilée et de Newton. Il faut utiliser des astres beaucoup plus lointains dont les mouvements apparaissent nuls à l'échelle de précision des mesures nécessaires pour le bon fonctionnement des GPS.

Nous connaissons de tels astres, il s'agit des quasars !

Une représentation d'artiste du noyau actif d'une galaxie. Il s'agit d'un trou noir géant en rotation accrétant de la matière et rayonnant d'impressionnantes quantités d'énergie. Crédit : Nasa/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Découverts au début des années 1960, les quasars sont situés majoritairement à plusieurs milliards d'années-lumière et sont le plus souvent détectés par leurs émissions en ondes radio. Les quasars sont des trous noirs géants en rotation, des trous noirs de Kerr donc, dont les masses sont de plusieurs millions à plusieurs milliards de masses solaires.

Déjà, en 1995, une carte de la position d'environ 600 quasars, résultat de quatre années de travail patient, avait été dressée et servait de référence pour le GPS. Son nom : International Celestial Reference Frame (ICRF). Une nouvelle carte, plus précise et ajoutant des quasars, vient d'être rendue publique.

Pour ce faire, il a fallu mobiliser le Very Long Baseline Interferometer (VLBI). Ce célèbre réseau de radiotélescopes s'étend sur plusieurs continents et permet, en combinant leurs observations, de disposer de l'équivalent d'un seul radiotélescope géant dont la parabole aurait une taille de plusieurs milliers de kilomètres.

La résolution obtenue est si grande qu'il devient possible de sonder la structure spatiale des quasars, à des milliards d'années-lumière de nous. La tâche n'est cependant pas simple car les mouvements de la tectonique des plaques, donc la dérive des continents, doivent être pris en compte pour corriger les mesures de positions...

La nouvelle carte, baptisée ICRF2, contient maintenant pas loin de 3.000 quasars et elle a été reconnue en août 2009 par l'International Astronomical Union (IAU). Elle ne sert pas uniquement au GPS terrestre. Les ingénieurs chargés de la navigation des sondes spatiales peuvent grâce à elle bénéficier de mesures encore plus précises et optimiser les missions. Peut-être découvriront-ils grâce à cela de la nouvelle physique avec des tests comparant les prédictions de la mécanique céleste basée sur la relativité générale à celles basées sur des modifications de la théorie d’Einstein.

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