Quand Galileo confirme les prédictions d'Einstein

Publié par Redbran le 06/12/2018 à 14:00
Source: Observatoire de Paris
Le temps s'écoule plus rapidement quand on s'éloigne de la Terre. Cette prédiction d'Einstein a été testée avec succès par des physiciens de l'Observatoire de Paris - PSL du département SYRTE (Observatoire de Paris - PSL / CNRS / Sorbonne Université). Publiés le 4 décembre 2018 dans Physical Review Letters, les résultats ont été obtenus grâce aux deux satellites Galileo (Galileo est le nom du futur système de positionnement par satellites européen, en test depuis...) placés accidentellement en 2014 sur une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) excentrique, et avec une précision 5 fois meilleure qu'un précédent test mené... il y a 40 ans.

Galileo est la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte...) européenne de positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre...) par satellites. Actuellement, 26 satellites sont en orbite autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...).


L'altitude des deux satellites Galileo excentriques varie d'environ 9 000 km deux fois par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...).
La théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de...) générale prédit alors que la variation du décalage temporel gravitationnel des horloges de ces satellites par rapport aux horloges terrestres est d'environ 400 ns, ce qui a été mesuré avec une incertitude relative de 25 millionièmes.
© PRL

Lancés le 22 août 2014 par Arianespace (La société privée Arianespace SA fondée en 1980 est, selon ses propres termes,...) depuis Kourou (Guyane), deux satellites Galileo, Sat-5 (Doresa) et Sat-6 (Milena), n'avaient pas atteint l'orbite circulaire prévue à quelque 23 000 km d'altitude, mais une orbite très excentrique (ovale)variant entre 17 000 et 26 000 km.

Ce qui à l'époque avait été vécu comme un échec pour le système de positionnement (Les systèmes de géopositionnement satellitaires sont des ensembles composés d’une...) européen, censé rivaliser avec le GPS américain, s'est avérée une véritable aubaine pour les physiciens de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique...) qui ont imaginé rebondir sur cette conjoncture pour effectuer des tests sur le principe d'équivalence de la relativité d'Einstein.

Deux fois par jour en effet, chaque satellite (Satellite peut faire référence à :) monte et tombe de 9 000 km. Les satellites contiennent chacun une horloge atomique de type "maser à hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) passifs" (PHM), pourvue d'une stabilité inégalée parmi les horloges spatiales. Celles-ci sont comparées en permanence avec les meilleures horloges au sol, par une centaine de récepteurs terrestres.

Dès 2015, une étude préliminaire (1) menée par le SYRTE avait montré qu'il était possible d'exploiter, sur plus d'une année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...), les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) de ces deux satellites excentriques afin d'améliorer le test du décalage gravitationnel, une expérience jamais réitérée depuis 1976 par Gravity Probe A (GP-A) (2), et primordiale pour tester les limites de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) d'Einstein.

Sous l'égide de l'Agence Spatiale Européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est...), deux études parallèles et indépendantes ont été financées pour analyser les données des deux satellites excentriques, sous le nom de GREAT (Galileo gravitational Redshift Experiment with eccentric sATellites). L'une a été confiée au SYRTE à l'Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) et l'autre au ZARM, à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Brême.

Après trois ans de mesures et d'analyse de données, les résultats de l'étude des chercheurs du SYRTE et de leurs collaborateurs paraissent dans le journal scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) Physical Review Letters (3). Ils confirment les prédictions de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...) avec une incertitude relative de 2.5x10^-5, une amélioration d'un facteur 5,6 par rapport aux résultats de GP-A.

De nombreux collaborateurs

Afin de comprendre, d'évaluer et de corriger les erreurs systématiques associées à la modélisation de l'orbite occupée par erreur et aux horloges atomiques embarquées, une campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...) de télémétrie laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) par satellite (Satellite peut faire référence à :) (SLR) a été réalisée au cours des années 2016- 2017 (4), par le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) de stations du service international de télémétrie laser (ILRS) La station de télémétrie laser de l'Observatoire de la Côte d'Azur, partenaire du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...). Cette campagne a permis de démêler en partie les effets systématiques provenant des erreurs d'orbite.

Le bureau de navigation (La navigation est la science et l'ensemble des techniques qui permettent de :) de l'agence spatiale (Une agence spatiale est un organisme d'État ayant pour but d'étudier l'Espace et de développer...) européenne, l'ESOC, a aussi apporté un soutien décisif: leurs experts ont généré des produits précis d'orbite et d'horloge en utilisant les meilleurs modèles de satellites disponibles, permettant une modélisation très précise des perturbations orbitales non gravitationnelles. Pour les autres erreurs systématiques affectant potentiellement les horloges embarquées, des limites supérieures prudentes ont été calculées grâce aux tests au sol des horloges et aux contrôles embarqués.

Cette expérience GREAT constitue une avancée décisive, avant la future expérience spatiale, ACES attendue pour se concrétiser à l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) 2020 notamment par l'envoi d'une fontaine atomique à césium (Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55.) - PHARAO - à bord de l'ISS, la station spatiale internationale (La Station spatiale internationale (en anglais International Space Station ou ISS) est un habitat...). PHARAO devrait permettre d'améliorer encore d'un ordre de grandeur le test du décalage gravitationnel (5).

Notes:

(1) P. Delva et al. "Test of the gravitational redshift with stable clocks in eccentric orbits: application to Galileo satellites 5 and 6", Class (CLASS (CLS) est un célèbre groupe de l'underground informatique. CLASS a cessé son...). Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) Grav. 32, 232003 (2015).

(2) R. F. C. Vessot and M.W. Levine. "A test of the equivalence principle using a space-borne clock", Gen. Relativ. Gravit. 10, 181 (1979)

(3) P. Delva et al. "A gravitational redshift test using eccentric Galileo satellites", Phys. Rev. L, submitted

(4) P. Delva et al. "An SLR campaign on Galileo satellites 5 and 6 for a test of the gravitational redshift - the GREAT experiment", Proceedings of the ILRS Technical (Un technical est un anglicisme désignant un véhicule de combat improvisé et typique d'une force...) Workshop, Matera (Matera est une ville italienne d'environ 60 000 habitants, chef-lieu de la province de...), Italy, October 26-30, 2015 (2016)

(5) F. Meynadier et al. "Atomic clock ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) in space (ACES) data analysis", Class. Quantum Grav., 35:3, p. 035018 (2018)
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