L'égalité des masses inertielle et gravitationnelle, essentielle à la théorie de la relativité générale d'Einstein, a été confirmée à des sensibilités sans précédent par le satellite MICROSCOPE. Après avoir collecté plusieurs milliers d'orbites de données accélérométriques sur deux masses en chute libre autour de la Terre, la mission française n'a constaté aucune violation du principe d'équivalence à l'échelle de quelques parties sur mille milliards. Les scientifiques de la mission affirment qu'un meilleur contrôle des bruits thermiques et autres pourrait augmenter la précision d'un facteur 100 supplémentaire, permettant ainsi de tester les théories de la gravité quantique.
Depuis sa publication par Albert Einstein en 1915, la théorie de la relativité générale a passé avec brio de nombreux tests expérimentaux – de la déviation de la lumière des étoiles par le Soleil au redshift gravitationnel des horloges atomiques. Mais les physiciens considèrent cette théorie comme incomplète car en contradiction avec la mécanique quantique, tandis que les phénomènes de matière noire et d’énergie noire restent inexpliqués. Les chercheurs aimeraient également unifier la gravité avec les trois autres interactions fondamentales de la nature : l’électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles.
Une façon de rechercher de nouveaux porteurs de force prédits par des théories alternatives de la gravité consiste à soumettre le principe d’équivalence faible à des tests toujours plus sévères. Ce principe stipule que les masses inertielle et gravitationnelle sont équivalentes. Par conséquent, tous les objets, quelles que soient leur masse et leur composition, devraient tomber à la même vitesse dans un champ gravitationnel s’ils ne sont pas soumis à d’autres forces, telles que des variations de pression atmosphérique. (La version forte du principe est plus robuste car elle prend également en compte les effets de l'autogravitation, qui deviennent importants pour les gros objets.)
Rapport d'Eötvös
Depuis Galileo Galilei, les expérimentateurs explorent le principe d’équivalence avec une sensibilité croissante. La métrique utilisée dans les tests modernes est le rapport d'Eötvös, qui compare les accélérations de deux masses d'essai en chute libre et est nul si ces accélérations sont égales. En 2008, Éric Adelberger et leurs collègues de l'Université de Washington à Seattle, aux États-Unis, ont utilisé une balance de torsion rotative pour obtenir un rapport Eötvös de zéro au niveau d'environ 2 parties sur 10.13. Alors que dix ans plus tard, des chercheurs de l'Observatoire de Paris en France se sont appuyés sur près de 50 ans de données de télémétrie laser – à la recherche d'infimes variations dans l'orbite de la Lune par rapport à la Terre – et ont confirmé le principe d'équivalence avec une précision d'environ 7 × 10.- 14.
L'idée derrière MICROSCOPE était d'améliorer encore la précision en exploitant les avantages de l'orbite terrestre, c'est-à-dire le fait que les mesures peuvent être effectuées sur de longues périodes et sans interférence terrestre telle que le bruit sismique. La mission consistait à surveiller l’accélération relative de deux cylindres creux concentriques fabriqués à partir d’alliages différents – l’un composé de titane et d’aluminium et l’autre de platine et de rhodium – alors qu’ils se déplaçaient en chute libre continue. Pour ce faire, il a utilisé des électrodes pour surveiller tout écart dans le mouvement des cylindres, puis appliqué une faible tension pour remettre les cylindres en ligne droite – les variations de cette tension appliquée fournissant le signal de toute violation du principe d'équivalence.
La mission MICROSCOPE, dotée d'un budget de 140 millions d'euros, a été lancée en 2016 par l'agence spatiale française CNES en collaboration avec des chercheurs d'Allemagne, des Pays-Bas et du Royaume-Uni. Placé sur une orbite presque polaire avec une période d'environ 1.5 h, le satellite a fourni un premier ensemble de données – publié en 2017 – provenant de seulement 120 orbites. Cela a entraîné une amélioration d'un ordre de grandeur par rapport à la sensibilité alors record, ramenant l'incertitude sur la valeur zéro du rapport d'Eötvös à environ 2 parties sur 10.14.
Beaucoup plus de données
La collaboration MICROSCOPE vient de publier l'ensemble des données complètes de la mission, acquises pendant l'équivalent de cinq mois au cours de sa durée de vie de 2.5 ans (le satellite, toujours en orbite, finira par brûler dans l'atmosphère terrestre). Disposant d'au moins un ordre de grandeur de données en plus qu'il y a cinq ans, dont certaines provenaient d'une comparaison de référence entre deux cylindres fabriqués à partir du même matériau (platine), les chercheurs ont pu réduire l'incertitude sur le rapport d'Eötvös à environ quatre pièces en 1015 – et le constatant qu’il est toujours nul. Ce n’est pas aussi précis qu’ils l’espéraient – ils voulaient atteindre une part sur 1015 – mais représente néanmoins une amélioration supplémentaire de la précision d'un facteur cinq environ.
Les scientifiques non impliqués dans la mission saluent les nouveaux résultats, même si Anna Nobili de l'Université de Pise en Italie est sceptique quant à la précision déclarée. Elle souligne que la plus grande source d'erreur systématique est le bruit thermique, résultant des gradients de température établis par les variations de la lumière solaire directe et réfléchie atteignant le vaisseau spatial. Elle note qu'avec le satellite déjà en orbite, la seule manière de réduire les effets de ce bruit entre les deux diffusions de données était d'en améliorer la modélisation. Mais elle ne trouve « pas totalement convaincant » que la modélisation aurait pu atteindre la réduction nécessaire – un facteur six.
Néanmoins, Nobili estime que MICROSCOPE montre « l'énorme potentiel de l'espace » pour des tests de très haute précision du principe d'équivalence. En particulier, elle soutient que la mission démontre l'importance de faire tourner un vaisseau spatial à des vitesses élevées pour augmenter la fréquence de tout signal de violation à des niveaux où le bruit thermique est connu pour être plus faible. (Elle note que le satellite était censé tourner jusqu’à cinq fois sa fréquence orbitale, mais qu’il a fini par tourner 17.5 fois plus vite.)
Réduction supplémentaire du bruit
Joël Bergé, membre de la collaboration MICROSCOPE de l'Université Paris Saclay, déclare que lui et ses collègues travaillent désormais sur une mission de suivi plus vaste appelée MICROSCOPE 2, qu'ils n'ont pas encore proposée à une agence spatiale, mais qui pourrait être lancée « dans la seconde moitié de l'année ». les années 2030 ». Il affirme que le nouveau satellite intégrerait plusieurs modifications visant à réduire le bruit, notamment le remplacement d'un fil d'or utilisé pour éliminer les charges indésirables de la masse de test par un système sans fil impliquant des diodes électroluminescentes ultraviolettes. De tels changements, affirme-t-il, pourraient réduire l'incertitude de mesure à environ une partie sur 10.17.
La descente de masse
Will Clifford, théoricien de l'Université de Floride aux États-Unis, estime que l'expérience acquise lors de la mission initiale donnera aux chercheurs de MICROSCOPE « une bonne base pour passer à la version 2.0 ». Il dit qu'il est incapable de juger de la crédibilité de leur projet de 10- 17 incertitude, mais souligne que les scientifiques de l'Université de Stanford travaillant sur un projet de mission connu sous le nom de STEP ont fait valoir qu'atteindre ce niveau de précision nécessiterait que le satellite soit refroidi à des températures cryogéniques – ce qui n'est pas envisagé pour MICROSCOPE 2.
La recherche est décrite dans des articles publiés dans Physical Review Letters et probleme special of Gravité classique et quantique.
