Teste le Principe d'Equivalence de la Relativité Générale d'Einstein

Publié par Adrien le 27/10/2014 à 00:00
Source: ONERA
L'ONERA a livré au CNES Toulouse l'instrument T-SAGE, véritable cœur du satellite MICROSCOPE (MICRO-Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence) qui permettra d'éprouver la théorie de la Relativité Générale d'Einstein. T-SAGE (Twin Space Accelerometre for Space Gravity Experiment) est un double accéléromètre (Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile, permet de mesurer l'accélération de...) différentiel (Un différentiel est un système mécanique qui a pour fonction de distribuer une vitesse de...) conçu et développé par l'ONERA, qui permettra, grâce à sa sensibilité unique au monde (Le mot monde peut désigner :), de tester le Principe d'Equivalence (PE) ou universalité de la chute libre à 10^-15, soit 100 fois mieux que toutes les expériences réalisées sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...).


Illustration: ONERA

Principe de l'expérience dans l'espace: deux masses de nature différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) placées à l'intérieur d'accéléromètres sont accélérées pour être maintenues sur une même trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) grâce à des contrôles électrostatiques. Si une différence d'accélérations appliquées sur les deux masses est détectée, cela mettra en évidence une violation du principe d'équivalence, synonyme de nouveaux horizons (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre...) aux théories de la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) ! L'instrument T-SAGE a été développé dans le cadre d'un consortium international piloté par le CNES avec l'ONERA, l'Observatoire de la Côte d'Azur, le centre allemand des applications de la microgravité (La microgravité, dans le domaine de l'astronautique, est l'état d'un corps tel que l'ensemble des...) (ZARM), l'agence nationale de métrologie (La métrologie est la science de la mesure au sens le plus large.) de la République fédérale d'Allemagne (PTB).

Projet MISCROSCOPE

Le projet spatial MICROSCOPE vise à tester le Principe d'Equivalence (PE) avec une sensibilité jamais atteinte aujourd'hui de 10^-15.

MICROSCOPE est une mission spatiale conçue en collaboration avec l'Observatoire de la Cote d'Azur, le CNES et le ZARM (Brème, Allemagne). Elle vise le test du principe d'équivalence avec une sensibilité améliorée de plus de deux ordres de grandeur sur les expériences terrestres actuelles. Ce principe 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...) Générale d'Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...), elle énonce que tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) corps placé dans un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous...) uniforme subit une accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique,...) indépendante de sa nature ou sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...). Une des conséquences de ce principe est l'universalité de la chute libre dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.): la plume (Une plume est, chez les oiseaux, une production tégumentaire complexe constituée de...) et le marteau (marteau peut faire référence à :) chute à la même vitesse (On distingue :) dans un champ de gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) uniforme. On a donc équivalence entre "Masse Gravitationnelle" et "Masse Inertielle".


Illustration: ONERA
Une violation du principe d'équivalence remettrait en cause le modèle standard de la Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) actuelle et pourrait mettre en évidence une nouvelle interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...). L'enjeu ici est l'unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que...) de toutes les interactions de type "nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) ou électromagnétique" avec la "Gravitation" ; l'unification du modèle quantique avec la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...). L'enjeu est considérable. Une "non-violation" du principe d'équivalence à ce niveau de sensibilité serait néanmoins une contrainte forte sur les modèles alternatifs qui pour certains prédisent une violation en dessous de 10^-14.

Pour réaliser cette expérience, le Département de Mesures Physiques de l'ONERA utilise un double accéléromètre électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...) concentrique. Deux masses cylindriques sont contrôlées par des asservissements pour rester immobile par rapport au satellite (Satellite peut faire référence à :). Le satellite est lui-même contrôlé sur une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) quasi-circulaire, polaire héliosynchrone à 710km d'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau...). L'axe des cylindres constitue la direction de la mesure du test du PE. Lorsque le satellite est en mouvement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la Terre en pointage inertiel (pointage "fixe par rapport aux étoiles"), les deux masses d'épreuves vont ressentir la gravité le long de l'axe de mesure à la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) du mouvement orbital. Si le PE est vérifié, les deux masses de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) différents (PtRh10 pour la masse interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) et Ti pour la masse interne) vont subir la même accélération de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) pour rester sur la même trajetoire, la mesure différentielle de ces accélérations sera donc nulle. Dans le cas contraire, un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) de différence sera détecté à la fréquence orbitale.

Il est également prévu un mouvement de rotation du satellite autour de l'axe perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) au plan orbital à la fréquence proche de 10^-3 Hz qui renvoie le signal "PE" à la fréquence somme des deux mouvements: rotation autour de la Terre + rotation du satellite sur lui-même.


Concept expérimentale de la mission MICROSCOPE: les 2 masses d'épreuve sont maintenues sur la même orbite autour de la Terre. En cas de violation du PE, une accération différente est nécessaire pour controller les deux masses et la différence (en rouge) est précisément mesurée le long de l'axe des cylindres (en noir). Le signal recherché est alors en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) une fois par orbite avec l'axe de mesure. Illustration: ONERA

Pour réaliser cette mission, le CNES et l'ONERA ont mis en œuvre des technologies novatrices jamais testées à ces niveaux de performance en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...):

- Accéléromètres électrostatiques avec une résolution meilleure que 2.10^-12 ms^-2 Hz^-1/2 dans la bande [10-4Hz ; 0.1Hz].

- Micro-propulsion à gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) (300µN, dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la...) de la mission GAIA) avec des bruits de poussées de l'ordre du µN Hz^-1/2.

- Hybridation des accéléromètres électrostatiques et des senseurs d'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) pour le contrôle d'attitude du satellite: limitation des oscillations à la fréquence orbitale à 10µrad. Compensation 6 axes des forces de surfaces de freinage sur le satellite (trainée, pression de radiation (La pression de radiation est la pression exercée sur une surface exposée à un rayonnement...) solaire, albédo (L'albédo est le rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface sur l'énergie solaire...) terrestre....) ou des couples perturbateurs (magnétique principalement): grâce à la propulsion (La propulsion est le principe qui permet à un corps de se mouvoir dans son espace environnant....) gaz froid, au senseur d'étoile et aux accéléromètres de l'Onera.

- Contrôle passif de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) du bloc charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...): oscillations de température à la fréquence orbitale inférieures à 1mK Mise en œuvre de fonctions numériques des asservissements des accéléromètres pour l'étalonnage en vol.

- Précision de la restitution de la trajectoire du satellite entre 2m et 100m.
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