Comment tester le principe d’équivalence dans l’espace? La mission Microscope

Le but de la mission Microscope est de tester le principe d’équivalence avec une précision de deux ordres de grandeur meilleure que ce qui est réalisé sur terre, plus précisément au niveau de 10-15 soit 1/1 000 000 000 000 000ème (les membres de la mission aiment à dire que c’est la différence de poids d’un tanker de 500 000 tonnes quand une mouche drosophile de 0.5 milligramme se pose sur le pont).

coaxial_cylindersDe façon à réaliser cela, on doit comparer la chute libre de deux objets de composition différente (voir ici pourquoi). Mais les deux objets doivent sentir exactement le même champ gravitationnel, et donc être placé au même point dans l’espace. Dans Microscope, ce sont deux cylindres coaxiaux de matériaux différents – l’un en titane et l’autre dans un alliage en platine-rhodium – dont les centres de masse coïncident (comme montré sur la figure à droite).
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En fait, la mission Microscope a deux dispositifs (voir à gauche): un avec deux cylindres de même matériau, et un avec deux cylindres de matériaux différents. Ceci permet de s’assurer que tout effet observé avec les deux cylindres différents n’est pas observé avec les deux cylindres identiques.

 

 

 

 

En fait, les cylindres ne sont pas strictement en chute libre. Rappelez-vous qu’un objet en  orbite n’arrête pas de tomber, mais avec une vitesse horizontale.Le  satellite, et les deux cylindres coaxiaux, sont en orbite mais ils ont des mouvements légèrement différents: le satellite est sujet à des perturbations  non-gravitationnelles (induisant des frottements qu’on appelle poussée) qui sont compensés par des micro-propulseurs. Et, dans le cas où le principe d’équivalence serait violé, les deux masses cylindriques auraient de petites différences de mouvement. Dans l’expérience Microscope, elles sont forcées à suivre le même mouvement au centre du satellite en exerçant sur elles des forces électrostatiques, ou, si vous préférez, des accélérations externes. Si les accélérations que l’on doit exercer sont différentes sur les deux masses, ceci veut dire que leur mouvement naturel est différent: il y a violation du principe d’équivalence. Autrement dit, des accélérations différentes sur les deux masses cylindriques veulent dire des mouvements gravitationnels différents. Une autre belle  illustration de l’équivalence entre accélération et champ gravitationnel!

 

Il est très important de s’assurer que l’effet observé peut être attribué à une violation du principe d’équivalence, et non à un mauvais fonctionnement du dispositif. Pour ce faire, les physiciens ont une façon astucieuse de moduler le signal, c’est-à-dire de faire varier le signal potentiel de violation avec le temps à une fréquence connue. Voici l’astuce.

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Le satellite suit une orbite quasi-circulaire à une altitude de 710 km. L’axe des cylindres pointe dans une direction fixe par rapport aux étoiles distantes, et la mesure de l’accélération est faite le long de cet axe. Comme vous pouvez le voir sur la figure ci-dessus, il y a des positions le long de l’orbite où l’attraction gravitationnelle est perpendiculaire à cet axe, et donc non active le long de cet axe. Il y a d’autres positions où elle est parallèle ou antiparallèle, et l’effet est alors maximal. De cette façon, on module l’effet avec une fréquence connue qui est directement reliée à la fréquence de rotation le long de l’orbite. Tout effet de violation du principe d’équivalence doit avoir une telle modulation.

 

 

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De façon à conforter encore le résultat, les physiciens de Microscope ont décidé aussi de mettre en rotation le satellite autour d’un axe perpendiculaire au plan orbital avec une période de 1000 secondes. De cette façon, ils introduisent une modulation supplémentaire du signal.

Si vous voulez voir le lancement de la mission Microscope de Kourou, allez ici.

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