Avec Microscope, le CNES pousse le principe d'équivalence dans ses retranchements

101 ans après la théorie de la relativité générale posée par Albert Einstein, voici qu'un étrange satellite du CNES décolle pour vérifier avec une précision inégalée l'un de ses piliers, le principe d'équivalence. La mission a atteint son objectif, sur plus de 87 millions de kilomètres. Et à la fin, c'est Albert qui a encore raison.

Et la relativité générale n'est toujours pas d'accord avec les autres grandes théories des interactions.

On lance 1 kilo de plumes et 1 kilo de plomb…

C'est une démonstration qui est si contre-intuitive qu'il faut généralement regarder au moins une vidéo pour s'en convaincre, sauf bien sûr si on l'aborde sous un angle mathématique. Ce fichu principe d'équivalence donne pourtant du mal à ses contradicteurs depuis qu'il a été posé localement par Newton.

Deux masses en chute libre soumises à des conditions initiales similaires suivent une même trajectoire dans un champ de gravitation. Peu importe ladite masse, leur matériau, leur forme. L'une de ses démonstrations les plus spectaculaires est celle qui consiste à lâcher au même instant un marteau et une plume dans le vide pour les voir ensuite accélérer et s'écraser au sol au même instant. Cette expérience fut même menée sur la Lune lors de la mission Apollo 15 et donna les mêmes résultats qu'en laboratoire.

Ce principe d'équivalence est au cœur de la théorie de la relativité générale publiée en 1915 par Albert Einstein. Mais si cette dernière donne des résultats que l'on continue de vérifier à des échelles astronomiques, elle ne fonctionne pas bien avec la mécanique quantique, et en particulier avec les trois autres interactions principales : l'électromagnétisme ainsi que les forces nucléaires fortes et faibles. En théorie, il devrait donc exister des conditions ou des échelles pour lesquelles le principe d'équivalence est violé.

L'une des propositions pour illustrer cette violation est de montrer, grâce à un dispositif de mesure extrêmement précis, que deux masses en chute libre dans des conditions similaires ont des comportements différents sur le long terme. Les physiciens parlent de violation à longue distance. Mais la précision atteint ses limites en laboratoire avec des balances de torsion (2 x 10exp-13). Dès la fin des années 80, de nouvelles idées de projets évoquent l'utilisation d'une plateforme satellite. Eh oui, quoi de mieux que l'orbite pour observer deux masses en chute libre ?

Vérification par l'orbite

Avant l'an 2000, les États-Unis mettent sur la table le projet STEP, pour « Satellite Test of Equivalence Principle », mais la proposition n'aboutira pas. Les grandes agences sont indécises sur le sujet, la plupart étant engagées sur d'autres démonstrations physiques ou sur l'observation d'autres phénomènes. C'est finalement le CNES français qui se lance dans l'aventure avec son petit satellite de classe Myriade qu'il nomme Microscope. Si vous êtes amateur d'acronymes, c'est votre moment : Microsatellite à traînée compensée pour l'observation du principe d'équivalence.

Mais le projet est complexe, et la plateforme Myriade, qui devait à l'origine embarquer un instrument de 20 kilos, doit être considérablement musclée. En effet, le satellite pèse finalement 303 kilos, dont un caisson appelé BCU, pour « bloc charge utile », en son centre qui pèse 50 kilos. L'expérience tient du laboratoire de physique, mais elle ne peut être testée qu'en orbite, et pourtant, elle doit atteindre une précision inégalée ! Elle ne décollera qu'en 2016.

Au lancement de Microscope, la France est l'un des rares pays à se plier à une réglementation contraignante pour les débris spatiaux. Comme le satellite va orbiter à 707 kilomètres d'altitude et utiliser tout son carburant de manœuvre dans ses deux années d'expérimentation, le CNES va investir dans un équipement particulier (IDEAS) : un double mat gonflé à l'hélium qui augmente la surface du satellite de plus de 6 m² et qui lui permet par des frottements avec les rares particules atmosphériques de limiter le temps en orbite à 25 ans.

Un instrument aussi sensible que complexe

Le plus important bien sûr, c'est ce qu'il y a dans les entrailles de Microscope, au sein du BCU. On y trouve le T-SAGE, pour « Twin-Space Accelerometer for Gravity Experiment », constitué d'instrumentation et de deux caissons côte à côte, dont l'un est consacré à l'expérience principale et l'autre à une expérience témoin. Dans chacun des deux caissons, deux masses cylindriques emboîtées sont placées au micromètre près et maintenues en place par un système de lévitation électrostatique. En chute libre, toute accélération est mesurée et comparée entre le caisson expérimental qui contient deux masses aux matériaux différents (une en titane, l'autre en alliage platine-rhodium), et le caisson témoin avec deux masses de composition identique en platine.

L'expérience, extraordinairement délicate, a des résultats d'exploitation en théorie assez simples. Si une différence est observée avec l'accélération des deux masses expérimentales alors qu'elle n'existe pas sur les deux masses témoins, le principe d'équivalence est donc caduc. Mais tout repose sur l'étalonnage de l'expérience, tout comme du caisson témoin permettant d'estimer la précision des mesures sur la durée. Le boîtier global a d'ailleurs aussi nécessité beaucoup de travail, car il doit isoler (thermique, mécanique, électromagnétique…) le système témoin et celui consacré à l'expérience. Au cours de la mission, la variation thermique dans le BCU ne doit pas excéder… un millième de degré Celsius.

La mission Microscope peut enfin commencer

Le décollage a lieu avec Soyouz depuis la Guyane, le 25 avril 2016, et la mise en orbite est correcte. Pour autant, une fois que la « recette en vol » est terminée (orbite finale atteinte, vérification des systèmes de communication et de tous les paramètres à bord, contrôle fin du satellite avec ses propulseurs à gaz froids…), il reste encore à paramétrer l'expérience. Les équipes de l'ONERA, qui sont responsables de l'instrument, sont rapidement rassurées, mais les réglages et l'étalonnage de T-SAGE vont se prolonger durant 10 mois jusqu'en 2017.

L'expérience est activée au printemps, et l'enregistrement des données débute. Le groupe scientifique étudie d'abord les résultats préliminaires sur 120 orbites (moins de 10 jours de mesure). Ils sont publiés en décembre 2017 dans une revue à comité de lecture et prouvent déjà que les résultats ne mettent pas en doute le principe d'équivalence avec une précision déjà 10 fois supérieure à celle des équipements terrestres (environ 2 x 10exp-14).

Pendant ce temps bien sûr, la campagne scientifique se poursuit en orbite. Les résultats définitifs seront étudiés sur une période longue de 1 642 orbites, soit au total environ 73 millions de kilomètres. Mais cette fois, pendant que les scientifiques sont au travail, Microscope a terminé sa mission. Le 15 octobre 2018, les opérations sont terminées, les réservoirs (vides) sont purgés, et les deux cartouches de gaz réussissent à gonfler avec succès les deux mats qui servent à accélérer la désorbitation du satellite. En soi, Microscope est déjà une réussite !

Einstein a toujours raison (sauf quand il a tort)

Les résultats finals sont publiés en 2022 et montrent que grâce à la très grande stabilité de la plateforme, les mesures ont dépassé ce qui était attendu et n'ont pas violé le principe d'équivalence. Ce dernier, au contraire, semble valide, avec un rapport de précision de 1 x 10exp-15, soit environ 200 fois plus précis que ce que peuvent produire les meilleurs laboratoires sur Terre !

C'est une impressionnante prouesse scientifique qui valide autant la relativité générale qu'elle ennuie, car la science n'a toujours pas démontré comment passer de cette dernière à l'échelle des particules. Toutefois, il n'était question ici que de violation à longue distance. Certains physiciens évoquent la possibilité d'une violation à très petite distance, avec par exemple une très longue chute libre de deux masses séparées de seulement un micron, ou moins… De quoi donner mal au crâne à ceux qui s'attelleront peut-être à mettre en place un tel dispositif.

En l'occurrence, il n'y a pas d'autre mission du même genre en préparation dans le monde. Microscope est unique pour le moment, et ses résultats ont fait date. Ce fut d'autant plus marquant pour notre agence spatiale en ce qui concerne la dernière mission effective de la plateforme Myriade. Une autre aurait dû démarrer en 2020 avec le décollage du satellite d'étude des éclairs et des phénomènes orageux transitoires (Taranis), mais celui-ci fut perdu lors de son lancement…

Pour plus de détails : CNES