Microscope
Microscope est un micro-satellite qui teste le principe d’équivalence en orbite. Il a déjà amélioré la précision d’un facteur 10 et a pour objectif d’atteindre un facteur 100 par rapport aux meilleurs résultats connus.
MICROSCOPE Mission: First Results of a Space Test of the Equivalence Principle, P. Touboul et al, Phys. Rev. Lett. 119 231101 – Published 4 December 2017
Microscope sur le site du CNES
Microscope sur le site de l’ONERA
Dans le Journal du CNRS
- Le principe d’équivalence reste valable ! (4 décembre 2017)
- Le principe d’équivalence à l’épreuve (25 avril 2016)
Dans l’actualité/In the news
- Les premiers résultats du satellite MICROSCOPE confirment la théorie d’Albert Einstein avec une précision inégalée (4 décembre 2017)
- Des nouvelles du satellite Microscope (7 avril 2017)
- Le satellite Microscope commence ses tests scientifiques (16 novembre 2016)
- Microscope passe en mode de pointage fin, et atteind sa pleine sensibilité (11 mai 2016)
- Déblocage des masses-test et réception des premières données (2 mai 2016)
- Lancement du satellite Microscope depuis la base de Kourou (25 avril 2016)
La communauté scientifique de gravitation expérimentale
La mission MicroScope a été initiée au sein de la communauté française de gravitation expérimentale, structurée en 1995 dans un GDR (Groupement De Recherche) du CNRS soutenu par le CNES et l’ONERA.
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.
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.
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.
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 »).
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.
Le projet MicroScope
Le projet MicroScope a été proposé, porté par le Département de Mesures Physiques (DMPH) de l’ONERA, le CNES et le Cerga (maintenant GeoAzur, laboratoire mixte du CNRS, de l’Observatoire de Côte d’Azur/OCA et de l’Université de Nice Sophia Antipolis) avec des partenaires européens (Université de Brème, DLR, PTB, ESA). La maitrise d’œuvre en est assurée par le CNES.
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.
Le Science Working Group
Le Science Working Group supervise et coordonne l’analyse des données. Il est interdisciplinaire et international.
Le Science Working Group agit aussi pour élargir au maximum le spectre d’utilisation des données de la mission. Des appels à idées couplés à des workshops internationaux ont notamment été organisés ces dernières années et d’autres sont prévus dans le futur.
Les données de Microscope seront ainsi analysées non seulement pour le test du principe d’équivalence, l’objectif principal de la mission, mais aussi pour d’autres objectifs, en physique et en science de la terre, notamment pour une meilleure connaissance du champ de gravité terrestre et des perturbations de l’environnement orbital.