Microscope

Pendant ses 12 ans de fonctionnement, le GDR GREX (Gravitation et Expérience) a organisé de nombreuses réunions et conférences rassemblant la communauté internationale des chercheurs concernés et accompagnant la naissance de Virgo, ainsi que l’émergence des projets ACES/PHARAO et MicroScope.

Lien vers l’ancien site du GREX (1995-2006)

Depuis 2010, une action spécifique du CNRS INSU/INP intitulée GRAM (Gravitation, Références, Astronomie, Métrologie) structure le travail de cette communauté et continue à porter et faire émerger de nouveaux projets en gravitation expérimentale. En 2016, GRAM est devenu un programme national du CNRS.

Lien vers le site du GRAM

L’interaction gravitationnelle joue un rôle prédominant dans la physique de l’échelle macroscopique jusqu’à l’échelle de l’univers. Elle est bien décrite par la théorie de la relativité générale, mais des questions importantes restent en suspens. À la fin du XXe siècle, des études expérimentales se sont développées afin de répondre à ces questions et de tester la théorie de la relativité générale

  Une prédiction essentielle de la relativité générale est l’existence des ondes gravitationnelles. L’observation directe du rayonnement gravitationnel a été l’objectif des grands interféromètres Virgo et Ligo qui ont annoncé les premières détections directes des ondes gravitationnelles.

Pages sur VIRGO.

  Toutes les tentatives d’unification théorique entre la relativité générale et la physique quantique conduisent à des modifications de la théorie. Celles-ci introduisent souvent des violations apparentes du principe d’équivalence qui est la base de la théorie de la relativité générale. Ces violations pourraient se manifester dans les tests expérimentaux à un degré de précision meilleur que celui qui est actuellement démontré. L’objectif principal du projet MicroScope est de tester ce principe à un degré de précision environ 100 fois meilleur que ce qui existe aujourd’hui.

Pages sur MicroScope

  Les techniques spatiales permettent de proposer de nouvelles expériences permettant de vérifier les lois de la gravitation avec la meilleure précision. Ceci est vrai pour les projets de détection des ondes gravitationnelles et de test du principe d’équivalence, ainsi que pour les projets de test de la relativité générale, comme le projet ACES/Pharao qui vise à mettre une horloge à atomes froids dans la Station Spatiale Internationale afin de tester avec précision la loi du décalage vers le rouge (« redshift »).

Pages sur ACES/Pharao

Ces divers projets constituent des tests discriminants de la relativité générale. Celle-ci étant une théorie fondamentale sans aucun paramètre libre, une éventuelle déviation aurait un impact considérable en particulier en astrophysique et en cosmologie. A contrario, toute confirmation à un meilleur degré de précision vient conforter l’un des piliers de la physique fondamentale. Toutes ces expériences qui présentent la caractéristique commune de chercher à mesurer des effets petits font appel aux technologies les plus avancées. La théorie joue aussi un rôle important et unificateur au travers de l’exploitation des résultats, de l’interprétation de leur signification et de leur relation à la théorie, ou des méthodes de contrôle du bruit.

La mission Microscope a été accompagnée de nombreux travaux et de publications scientifiques concernant notamment les questions suivantes.

  Quel est l’intérêt d’une mission spatiale de type MicroScope pour tester le principe d’équivalence ?

Dans plusieurs schémas théoriques visant à généraliser le modèle standard apparait la possibilité d’existence d’une nouvelle interaction, en plus des quatre déjà connues. Cette idée conduit à de nouveaux bosons de jauge neutres pouvant se manifester suivant les valeurs de leurs masses en physique des particules ou bien par l’existence de nouvelles forces à longue portée.

Une nouvelle force a longue portée pourrait résulter de l’échange de particules neutres de spin zéro et de masses nulles ou extrêmement faibles dont l’existence est suggérée par les modèles d’unification. Quelle que soit son origine, une telle force pourrait, en se superposant à la gravitation, se manifester par des violations apparentes du principe d’équivalence.

Ce principe déjà très bien testé dans des expériences faites sur Terre verra sa précision largement améliorée par l’expérience MicroScope par la comparaison de plusieurs paires d’accéléromètres embarqués dans un satellite à trainée compensée.

  Les accéléromètres électrostatiques du type de ceux développés par l’Onera sont-ils en mesure d’effectuer ce test à la précision souhaitée ?

L’accélérométrie ultrasensible est depuis longtemps un axe stratégique de recherche de l’Onera et les performances de cette instrumentation a été validée par des expérimentations en laboratoire et d’autres missions spatiales dans le domaine de la mesure du champ de gravité terrestre (en particulier CHAMP, GRACE et GOCE).

L’évaluation des limites de sensibilité pour les futures missions de physique fondamentale a motivé des investigations théoriques et expérimentales particulières qui ont confirmé la faisabilité de l’expérience MicroScope.

  Quelles doivent être les caractéristiques des masses ?

De nombreux travaux ont aussi été consacrés aux relations entre le test du principe d’équivalence et le modèle standard de la physique des particules. En particulier, il a fallu faire les choix les plus appropriés pour les paires de matériaux à tester, de manière à optimiser les chances de mettre en évidence une violation du principe d’équivalence si elle existe, puis de préciser aussi finement que possible les caractéristiques de la force supplémentaire qui en serait responsable.

  Quelles doivent être les caractéristiques de la mission ?

Pour tirer pleinement profit des avantages de faire cette expérience dans l’espace, de nombreuses études ont été menées sur le choix de l’orbite, du mode de pointage du satellite et sur la correction de nombreuses sources de perturbation. Par exemple, l’objectif de réduire les effets du gradient de gravité a conduit à choisir une orbite circulaire.