MICROSCOPE (satellite)

Pour tester le principe d'équivalence, le système mis en orbite autour de la Terre se compose de deux accéléromètres différentiels. Chaque accéléromètre comprend deux masses concentriques cylindriques. Le but de l'expérience est de vérifier avec une extrême précision que deux masses différentes, en chute libre dans le même champ de pesanteur, subissent la même accélération. L'accéléromètre qui sert à calibrer l'expérience, et donc à déterminer sa précision, renferme deux masses identiques en platine. Le second accéléromètre chargé d'identifier une violation éventuelle du principe d'équivalence faible comprend une masse en platine et l'autre en titane[5].

Les micropropulseurs à gaz froid du satellite viennent compenser toutes les autres forces qui peuvent s'exercer sur les masses afin que ces dernières soient effectivement en chute libre et sur la même orbite. D'autre part, il faut que, pour chaque système de deux masses, ces dernières sont centrées avec une précision de l'ordre d'une dizaine de micromètres et que leur différence de position soit inférieure au micromètre. Ces exigences sont satisfaites par un système de servocommande : des forces électrostatiques vont maintenir les masses tests en place[5].

C'est aussi grâce à ces systèmes que l'on va pouvoir mesurer l'accélération des masses et la variation de leur orbite. En effet, lorsque les masses vont chuter, il va falloir que les forces électrostatiques compensent cette chute et donc varient pour pouvoir maintenir les masses au centre. On peut donc relier ces écarts de forces à l'accélération et à la trajectoire et comparer leurs valeurs pour les différentes masses pour vérifier la théorie. Si les trajectoires sont différentes alors le principe d'équivalence n'est pas vérifié[5].

En menant l'expérience dans l'espace, on s'affranchit des contraintes environnementales terrestres, mais d'autres contraintes doivent être prises en compte en orbite. En effet, pour que le test du principe d'équivalence soit réalisé de façon pertinente, il faut que les masses que l'on compare se trouvent dans des conditions identiques :

• elles doivent voyager sur la même orbite et posséder le même centre d'inertie : cela implique que les masses soient concentriques. Concrètement, il s'agit de deux cylindres coulissant l'un dans l'autre, le mouvement relatif des cylindres étant mesuré. Il est attendu qu'un mouvement de fréquence orbitale se produise si le principe d’équivalence est violé. En plus de ça, une rotation sur un axe perpendiculaire au plan de l’orbite, permet une deuxième mesure, indépendante de la première[7]. Leur position peut être également réglée très précisément (de l'ordre du micromètre) grâce à de nombreux actionneurs, forces électrostatiques et grâce aux micropropulseurs qui compensent les effets de traînée dus aux particules atmosphériques ;
• le satellite doit offrir une grande stabilité spatiale et en température car ces paramètres sont susceptibles de modifier la chute des masses. C'est pourquoi les accéléromètres comportent des petites cavités de vide pour isoler thermiquement et fournir un abri magnétique aux masses. On estime à moins de 1 % la variation de la température sur une orbite ;
• une autre contrainte est liée à l’étalonnage du système : elle ne peut s'effectuer qu'en orbite pour mesurer précisément la sensibilité du système ;
• un tel système embarqué est limité par sa taille et son poids. En effet, ce type de microsatellite ne peut accueillir une masse embarquée que de l'ordre de 25 kg. Ainsi on ne peut pas choisir n'importe quelle valeur ou nombre de masses.

Cependant, si on arrive à s'affranchir de toutes ces contraintes avec des moyens technologiques permettant une grande précision, l'objectif de MICROSCOPE peut être atteint.

La charge utile du satellite est constituée par l'expérience T-SAGE (Twin-Space Accelerometer for Gravity Experiment) développée par le département mesures physiques de l'ONERA. T-SAGE utilise des accéléromètres dérivés des instruments STAR et SuperStar développés respectivement pour les missions spatiales CHAMP (2000) et GRACE (2002) qui ont cartographié avec une grande précision le champ gravitationnel de la Terre[9].

Une fois le satellite en orbite la première étape de la mission est l'étalonnage du système. En effet, cette tâche est un prérequis pour atteindre une précision globale de 10⁻¹⁵ g.

Dans cette étape, il va falloir déterminer tous les écarts induits par les composants du système, la précision en position des masses, des accéléromètres, celle du système global sur son orbite… Comme les accéléromètres sont des instruments très sensibles, l'étape d'étalonnage ne peut se faire qu'en orbite.

L'étalonnage détermine l'influence des contraintes extérieures évoquées ci-dessus sur le système. Pour obtenir la précision souhaitée, il est nécessaire de connaître la position des masses à 10 µm près, l'influence de la gravité sur l'orbite sélectionnée… Il faut aussi pouvoir aligner les axes des accéléromètres à 0,01 radian près. Toutes ces conditions nécessitent l'utilisation d'une technologie de pointe, car le moindre écart de précision limite fortement les chances de succès des mesures.

Une fois toutes les étapes d'étalonnage effectuées, on peut passer au test du principe d'équivalence.

Référence

Pour commencer, on utilise seulement l'accéléromètre différentiel contenant les deux masses identiques. On laisse les masses en chute libre et on regarde si elles tombent de la même façon puis on réitère l'opération d'étalonnage précédente. Cette étape va nous permettre de vérifier qu'il n'y a pas de décalage induit par le mouvement des masses en comparant le début et la fin de l'expérience. Si c'est le cas, on est en mesure de le quantifier pour améliorer la précision du test. D'autre part, on va pouvoir déterminer l'exactitude de la mesure en comparant la chute des deux masses identiques.

Test du principe d'équivalence

Voici enfin l'étape qui va permettre de valider ou non le principe d'équivalence avec une précision encore jamais atteinte. On utilise alors le second accéléromètre différentiel qui comporte les deux masses faites d'un matériau différent. Une fois la mesure effectuée on recommence l'étape d'étalonnage comme précédemment. On mesure l'écart de trajectoire entre les deux masses en chute libre et ensuite il ne reste plus qu'à interpréter les données recueillies par le système.

L'expérimentation est censée durer 6 mois environ. Durant ce laps de temps, le système peut être utilisé sous différents modes selon le résultat voulu.

Si le principe d'équivalence est vérifié alors, lorsque les masses, initialement sur la même orbite, tombent en chute libre elles doivent rester sur cette même orbite. Si au contraire le principe n'est pas vérifié, alors le système va devoir générer des forces électrostatiques différentes sur chacune des masses pour les garder sur la même orbite. C'est donc l'intensité de ces forces qui va être mesurée, leurs différences étant analysées jusqu'à la précision maximale de l'expérience.

Le 4 décembre 2017, la revue Physical Review Letters publie des résultats préliminaires montrant que le principe d'équivalence est vérifié avec une précision de 2 × 10⁻¹⁴, soit dix fois mieux que les mesures antérieures[11]. Ces résultats sont obtenus après le traitement de 10 % des données accumulées par le satellite depuis le lancement de la mission, soit pendant un an et demi[12].

Au début de 2020, la précision annoncée est de ±0,4 × 10⁻¹⁴ sur la confiance de la mesure, et aucun écart de chute n'a été mesuré entre les deux masses, jusqu'à 1,3 × 10⁻¹⁴. Ainsi, MICROSCOPE confirme le principe d'équivalence avec un écart inférieur à 2,5 × 10⁻¹⁴ à 2.σ. Pour autant, les dépouillements ne sont pas encore achevés[13]. En septembre 2022, l'analyse de l'ensemble des données est achevée, et le résultat est mieux que confirmé, puisque les scientifiques annoncent une précision à mieux que à 1 × 10⁻¹⁵[14], soit un gain d'un ordre de grandeur supplémentaire.

• Principe d'équivalence.
• Tests expérimentaux de la relativité générale.
• STEP, projet équivalent à MICROSCOPE de l'université Stanford, non retenu (2007).

• MICROSCOPE , Bibliothèque des projets, Centre national d'études spatiales (CNES).
• Microscope , Observatoire de la Côte d'Azur (OCA).
• MICROSCOPE , Office national d'études et de recherches aérospatiales (ONERA).
• (de + en) MICROSCOPE , Centre de technologie spatiale appliquée et de microgravité (ZARM) de l'université de Brême.
• (en) « Soyuz flight VS14 : with Sentinel-1B, Microscope and Fly Your Satellite! » [« Vol Soyouz VS14 : avec Sentinel-1B, Microscope et Fly Your Satellite! »] , Arianespace.
• (en) MicroSCOPE , eoPortal : catalogue de missions de satellites d'observation de la Terre, Agence spatiale européenne (ESA).
• (fr) « Pharao et MICROSCOPE : le temps et la gravitation à l'épreuve (audio) »^{(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)}, les diffusions pour baladeurs de Ciel et Espace radio, Sylvie Léon-Hirtz.