Le satellite Microscope conforte le principe d'équivalence d'Einstein
Publié par Redbran le 24/11/2019 à 14:00
Source et illustrations: CEA

Tester le principe d'équivalence, un principe de base de la relativité générale élaborée par Albert Einstein dont une conséquence est l'universalité de la chute libre des corps dans le vide, tel est l'enjeu du satellite Microscope. Cette mission spatiale, financée et pilotée par le CNES, conçue par l'ONERA en collaboration avec l'Observatoire de la Cote d'Azur, le CNES et le ZARM (Brème, Allemagne), a été lancée le 25 Avril 2016 avec à son bord l'instrument T-sage développé par l'ONERA. Dans une étude publiée dans la revue Classical and Quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible,...) Gravity, l'équipe Microscope à laquelle participe une chercheuse du DEDIP (Département D'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines telles...) pour la Physique)/Laboratoire AIM du CEA-Irfu Paris-Saclay vient de vérifier la validité du principe d'équivalence avec une précision inégalée. En prenant minutieusement en compte les différentes sources de bruits, en mettant à profit une meilleure connaissance de l'instrument et en faisant appel à des outils d'analyse également utilisés en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique...), l'équipe a pu améliorer d'un facteur 10 la précédente mesure, rendant ainsi particulièrement robuste les résultats publiés antérieurement et confortant par là-même la validité du principe d'équivalence.

Le principe d'Équivalence

Le satellite (Satellite peut faire référence à :) Microscope (MICROSatellite à trainée Compensée pour l'Observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) du Principe d'Équivalence) a pour but de tester le principe d'équivalence qui affirme que tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) corps tombe à la même vitesse (On distingue :) quelle que soit sa composition ou sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du...), à condition que le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) soit le même et que la chute se déroule dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). Ce principe formulé par Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence, le 8 janvier 1642) est un physicien et astronome italien du...) dès le XVIIème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois (d'où peut...) est à la base de la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique...) générale, édifiée en 1915. Depuis 400 ans, de nombreuses expériences ont vérifié ce principe avec une précision croissante sans jamais le mettre en défaut. La preuve d'une violation du principe d'équivalence aurait pour conséquence une remise en cause du modèle standard de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...), l'enjeu est donc d'importance.

Avant le lancement de la mission spatiale Microscope, la validité du principe d'équivalence avait été mesurée au sol avec une précision de 10-13. Cependant, la plupart des théories qui tentent d'unifier les quatre interactions fondamentales, dont la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) (e.g. les modèles de gravité quantique), prédisent une possible violation de ce principe à des échelles inférieures. Observer une violation du principe d'équivalence constituerait donc une révolution en physique.

L'expérience est réalisée dans l'espace, dans un satellite en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) de la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) pour bénéficier de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de mesure de plusieurs jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil...), soit l'équivalent d'une chute libre d'une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de "4 millions de km" pour 120 orbites. La mission Microscope vise à atteindre une précision 100 fois plus grande que celle des tests effectués sur Terre, permettant de contraindre déjà certains modèles de gravité quantique (La gravité quantique est la branche de la physique théorique tentant d'unifier la mécanique quantique et la relativité générale.).


A gauche une illustration du satellite Microscope (crédit CNES). A droite, un schéma décrivant le concept expérimental de la mission basé sur l'observation du comportement de deux masses différentes placées à l'intérieur du satellite en orbite autour de la Terre (Crédit: ONERA, voir ici pour plus de détails).

La mission Microscope

La mission Microscope embarque à son bord deux accéléromètres ultrasensibles différentiels, chacun constitué de deux masses cylindriques concentriques. Ces masses chutent en continu avec le satellite en orbite autour de la Terre et permettent ainsi de tester le principe d'équivalence. Pour le premier accéléromètre (Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile, permet de mesurer l'accélération de ce dernier.), les deux masses sont de même composition (en alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) de Platine) ce qui sert de référence pour contrôler les erreurs systématiques. Pour le second, les deux masses sont de composition différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie...) (l'une en alliage de Titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) et l'autre en alliage de Platine) ce qui permet de détecter une possible violation du principe d'équivalence en mesurant la différence d'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur vectorielle qui indique la modification affectant la...) entre les deux masses. Dans Microscope, l'instrument mesure des séries temporelles qui correspondent à l'accélération appliquée en fonction du temps aux différentes masses afin de les maintenir immobiles le long de leur orbite autour de la Terre.

La mesure de violation du principe d'équivalence se fait sur la différence d'accélération entre les deux masses. Il faut pour cela détecter un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les...) (dit différentiel) à la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi...) orbitale sur les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un...) de l'accéléromètre dont les masses sont de composition différente et ne pas le détecter sur l'accéléromètre de référence.

Des outils avancés pour l'analyse des séries temporelles

Pour atteindre la précision désirée, il est indispensable de bien comprendre tous les effets systématiques qui peuvent induire des perturbations sur les données. Parmi ces perturbations, il y a notamment celles causées par l'imperfection de l'instrument qui peuvent être finement modélisées et étalonnées ou bien encore les évènements imprévisibles à l'intérieur ou à l'extérieur du satellite qui peuvent obliger à jeter certaines données. A cela s'ajoute un bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) dit "coloré" qui affecte essentiellement les hautes fréquences (voir la figure ci-dessous) dont l'origine est essentiellement électronique. Tous ces effets ont un impact sur la qualité de la mesure en termes de biais et de précision. C'est dans ce cadre qu'une chercheuse du laboratoire AIM a contribué dans le traitement des données de la mission.

En mettant ainsi à profit son expérience dans le développement de méthodes de traitement de données (En informatique, le terme traitement de données renvoie à une série de processus qui permettent d'extraire de l'information ou de produire du savoir...) et ses applications à l'astrophysique (notamment pour la production de carte de matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été...) à partir des effets de lentille gravitationnelle (Les lentilles gravitationnelles déforment l'image que l'on reçoit d'un objet astronomique comme une galaxie.) faible), son expertise a contribué au développement et amélioration de la délicate chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de traitement.


Représentation du signal différentiel en fréquence pour l'accéléromètre de référence obtenue à partir des mesures (en bleu). Les courbes rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) et noire représentent respectivement le modèle du bruit avant et après le lancement, montrant ainsi la qualité de la modélisation du bruit avant lancement.

Combler les "trous" dus à l'absence de données

Ce travail est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par...) d'une collaboration entre le laboratoire AIM et l'ONERA qui a été initiée en 2014 dans le cadre d'un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) exploratoire financé par le Labex Univearths. Le but de ce projet était de voir comment traiter les données manquantes de Microscope, en présence d'un bruit fortement coloré. Les données manquantes dans Microscope sont de deux types, les vraies données manquantes dues à des problèmes de transmission de télémétrie et les données que l'on masque parce qu'elles sont perturbées par des évènements extérieurs (e.g. impact de micrométéorites, saturation de l'instrument suite à des craquements mécaniques).

Les données manquantes ou masquées en présence de bruit coloré ont pour effet d'augmenter significativement le niveau du bruit autour de la fréquence orbitale, diminuant ainsi la précision avec laquelle le principe d'équivalence peut être mesuré (voir la figure ci-dessous).
Pour traiter ces données manquantes, une méthode d'interpolation dite d'inpainting-MCA a été introduite à la chaine de traitement des données de Microscope. L'application aux données Microscope a nécessité une adaptation des algorithmes afin de tenir compte des caractéristiques du bruit coloré présent dans Microscope qui amplifie le niveau de bruit résiduel. Cette méthode qui s'appuie sur de nouvelles représentations des données permet de réduire considérablement le niveau de bruit à l'endroit où l'on cherche à détecter une possible violation du principe d'équivalence (voir figure ci-dessous).


Représentation du signal différentiel en fréquence: Les courbes bleue et noire représentent respectivement le modèle du bruit avec et sans données manquantes, avant lancement. Les courbes verte et rouge montrent les résultats obtenus avec deux méthodes différentes d'inpainting-MCA. Un exemple d'une possible violation du principe d'équivalence à 3x10-15 est montré par le pic à 1.8x 10-4 Hz.

Au-delà de la mission Microscope, les algorithmes d'inpainting-MCA ont déjà été intégrés à d'autres chaînes de traitement par des chercheurs du laboratoire AIM. Ils ont été intégrés à la chaîne de traitement de la mission CoRoT. Ils sont également en cours d'intégration sur la chaine de traitement des données du satellite Euclid qui sera lancé en 2022.

Une étude en cours, menée par des chercheurs d'AIM (laboratoire LCS), de l'ONERA et du Goddard Space Flight Center de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est l'agence gouvernementale responsable du programme spatial des États-Unis...), examine également la possibilité d'appliquer ces méthodes aux données de la mission LISA.

L'objectif final de la mission Microscope est d'améliorer le résultat présenté ici d'un facteur dix en utilisant l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) des données obtenues durant la mission et des méthodes d'analyse puissantes et originales, empruntées comme ici à l'astrophysique. Avec une précision de mesure de 10-15, la mission spatiale Microscope permettra d'atteindre une précision 100 fois meilleure que la précision des expériences réalisées à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...) actuelle sur Terre ou par tir laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) sur la Lune (La Lune est l'unique satellite naturel de la Terre et le cinquième plus grand satellite du système solaire avec un diamètre de 3 474...).

Contact CEA: Sandrine Pires

Publications:
Ces travaux sont publiés dans la revue Classical and Quantum Gravity
"Space test of the Equivalence Principle: first results of the MICROSCOPE mission", P. Touboul, G. Metris, M. Rodrigues (Rodrigues est la plus petite des trois îles de l’archipel des Mascareignes.), Y. André, Q. Baghi, J. Bergé, D. Boulanger (Le boulanger est spécialisé dans la fabrication du pain, de ses dérivés, de la viennoiserie.), S. Bremer, R. Chhun, B. Christophe, V. Cipolla, T. Damour, P. Danto, H. Dittus, P. Fayet, B. Foulon, P.-Y. Guidotti, E. Hardy, P.-A. Huynh, C. Lämmerzahl, V. Lebat, F. Liorzou, M. List, I. Panel (Le panel est un groupe de personnes interrogées régulièrement sur leurs opinions ou leurs attitudes. Les personnes peuvent participer aux enquêtes par courrier, téléphone ou, de plus en plus souvent, via un...), S. Pires, B. Pouilloux, P. Prieur, S. Reynaud, B. Rievers, A. Robert, H. Selig, L. Serron, T. Sumner, P. Viesser, accepted in CQG, September 2019
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