Relativité : les deux Galileo perdus vont mettre Einstein à l'épreuve

Utilisés à des fins de validation et de tests, les deux satellites Galileo lancés sur une mauvaise orbiteorbite vont finalement permettre de tester la relativité générale d’Einstein, nous explique Pacôme Delva chercheur au Syrte (Systèmes de Référence Temps-Espace), une unité mixte de recherche du CNRS de l'observatoire de Paris. L'idée est de « comparer le temps donné par les horloges atomiqueshorloges atomiques situées à bord des satellites GalileoGalileo et des horloges atomiques situées sur TerreTerre (notamment celles du Syrte) », grâce à une analyse fine du signal envoyé par ces satellites aux récepteurs Galileo terrestres.

Comparer deux horloges atomiques éloignées permet de voir un effet si jamais elles ont une vitessevitesse relative, ce que prédit la relativité restreinterelativité restreinte, ou si elles sont placées dans des champs gravitationnels différents, « un effet prédit par la relativité généralerelativité générale ». En termes plus simples, le temps ralentit à proximité de toute massemasse.

Augmenter la précision des tests de la relativité générale pourrait montrer des désaccords entre ses prédictions et l'expérience, et ainsi nous aiguiller en direction d'une nouvelle physiquephysique dont nous manquons cruellement pour résoudre des énigmes comme celles de la matière noirematière noire ou de l'énergie noireénergie noire par exemple. Jusqu'à ce jour, « aucun test expérimental n'a réussi à prendre la théorie en défaut ». Et ce n'est pas faute d'avoir essayé.

En effet, ce n'est pas la première fois que des satellites sont utilisés pour tester la relativité générale. En 1976, la NasaNasa avait lancé la sonde Gravity Probe-A à 10.000 kilomètres d'altitude et pendant les deux heures de fonctionnement de son horloge atomique, les « mesures effectuées n'avaient pas mis en défaut cette théorie ».

Les Galileo embarqueront deux types d’horloges : des masers à hydrogène passif (flèche rouge) et des horloges atomiques au rubidium visibles au premier plan. © SSTL

Le temps des horloges varie avec l'altitude

L'intérêt d'utiliser les Galileo 5 et 6 « est qu'ils tournent autour de la Terre sur une orbite excentriqueexcentrique, de sorte que leur distance à la Terre varie ». Et selon la relativité générale, le « temps de ces horloges doit s'écouler plus lentement lorsque les satellites se rapprochent de la Terre » en raison de la déformation de l'espace-tempsespace-temps provoquée par la gravitégravité terrestre. À l'inverse, lorsque les satellites s'éloignent de la Terre, le « temps de leurs horloges s'écoule plus rapidement ». Le but de l'expérience est donc de comparer la fréquencefréquence de l'horloge avec l'altitude des satellites, « ce qui permettra de tester la précision de la théorie de la relativité générale et tenter de la mettre en défaut ». La différence sera faible mais mesurable : les horloges atomiques à bord des deux satellites avancent en effet de 40 microsecondes chaque jour par rapport à leurs consœurs restées sur Terre.

Pour les chercheurs, il est important de pousser cette théorie dans ses derniers retranchements car elle gouverne l'universunivers tel que nous l'observons.

Les résultats seront publiés dans environ un an. « Ils seront au moins quatre fois plus précis que ceux de Gravity Probe-A et nous visons une précision de 0,004 %. » En 2017, la mission PharaoPharao du Cnes va encore améliorer cette précision et la porter à 0,0002 %. Comment ? En installant à l'extérieur du module ColumbusColumbus de la Station spatialeStation spatiale la première horloge à atomesatomes froids en orbite autour de la Terre.