Mise à jour 18 Sept 2023.
CONFÉRENCE MENSUELLE
DE LA SAF
De Manuel RODRIGUES
Ingénieur
Responsable Instrumentation spatiale à l’ONERA
« MICROSCOPE 1er test de la RG dans l'espace et implication »
Organisée par la
SAF
En présence du
public et en vidéo (direct) sur canal YouTube SAF
Le Mercredi 11
Octobre 2023 à 19H00
Photos : JPM pour l'ambiance. (Les photos avec plus de résolution
peuvent m'être
demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir
les crédits des autres photos si nécessaire
La présentation est disponible sur
ma liaison ftp ,
Rentrer le mot de passe, puis aller à CONFÉRENCES SAF ensuite
SAISON 2023/2024 ;
Elle s’appelle : Microscope-SAF.pdf
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent aussi me
contacter avant..
La vidéo de la réunion est accessible à cet URL : https://youtu.be/eITJ9NIAwQ0
Tous les autres enregistrements des conférences mensuelles sont
accessibles sur
la playlist des conférences mensuelles d’Astronomie de notre
chaine
YouTube SAF.
Nous étions 95 dans l’amphi, et 66 sur YouTube.
Voici la présentation de l’auteur :
En 530 avant JC, Philoponus propose
une nouvelle théorie de l’« impetus » : visant à expliquer le mouvement des
corps. Il est le premier à évoquer un concept d’inertie où la vitesse de chute
d’un corps est indépendante de sa masse. Deux milles ans plus tard, Gallilée
décrira la première loi mathématique de la chute des corps. Puis Newton établit
en 1687 les lois de la gravitation universelle. Ces lois permettent de décrire,
même aujourd’hui, avec précision le mouvement des projectiles, des planètes et
des satellites. Avec précision, mais pas dans le cas de Mercure ! Cette énigme
est résolue par la théorie de la Relativité Générale d’Einstein au début du XXe
siècle. Pour construire sa nouvelle
théorie de la Relativité Générale, Einstein part d’un principe fondateur : le
principe d’équivalence pour un objet plongé dans un champ de gravité ou
uniformément accéléré. La première conséquence est l’universalité de la chute
libre. La théorie de la Relativité Générale est révolutionnaire, elle décrit
l’univers comme jamais auparavant : un espace-temps à 4 dimensions.
La Relativité Générale mène à la
prédiction de phénomènes aussi déconcertants que des trous noirs, des trous de
vers, des ondes gravitationnelles, des lentilles gravitationnelles, etc... Mais
encore une fois nous sommes confrontés à une énigme : la vitesse de rotation de
certaines galaxies n’est pas en accord avec la théorie tout comme la vitesse
d’expansion de l’univers.
Pour résoudre ce problème, les
physiciens imaginent alors des extensions ou des modifications de la Relativité
Générale. Mais pour y parvenir la plupart des physiciens sont amenés à
introduire de nouvelles interactions qui brisent le principe d’équivalence.
MICROSCOPE est un satellite français
qui vise le test du principe d’équivalence avec une précision inégalée de 10-15
soit 100 fois mieux que toutes les expériences auparavant. En 2022, l’équipe
scientifique de l’ONERA et de l’Observatoire de la côte d’Azur associé au CNES,
a montré que MICROSCOPE avait validé le principe d’équivalence à la précision
attendue. Elle a ainsi mis des contraintes sur de nombreuses théories mais
toujours pas révélé une violation que les physiciens attendent.
Les résultats de MICROSCOPE seront
présentés avec les conséquences pour les théories alternatives de la Relativité
Générale. Mais cette aventure ne s’arrête pas là puisque l’équipe de MICROSCOPE
imagine déjà une future mission spatiale encore 100 fois plus précise, à la
recherche du Graal des physiciens : l’interaction qui permettra l’unification de
toutes les forces.
D’après CV sur le Net :
Spécialiste de l'accélérométrie spatiale ultrasensible, Manuel
Rodrigues est diplômé de l'ESPCI (École Supérieure de Physique et Chimie
Industrielle) en 1990. Il a commencé sa carrière
à l'ONERA (Office national d'études et de
recherches aérospatiales) en développant des techniques de métrologie pour les
capteurs aéronautiques.
En 1994, il développe un banc d'étalonnage pour le système
d'amortissement de nutation des satellites METEOSAT. Il rejoint ensuite le
département de Mesures physiques de l’ONERA pour y développer des accéléromètres
spatiaux. Il a alors participé à l'élaboration des bilans de performance de
plusieurs missions scientifiques spatiales : LISA, CHAMP, GRACE, GEOSTEP.
En 2000,
il prend la tête du
projet MICROSCOPE à l'ONERA et devient en 2017 co-investigateur
scientifique de la mission aux côtés de Pierre Touboul. Manuel Rodrigues est
également membre du conseil scientifique du programme national GRAM –
Gravitation, références, astronomie, métrologie - et a été récompensé en 2019 du
grand prix Servant de l'Académie des sciences. En 2022, les résultats finaux de
MICROSCOPE sont publiés et montrent que le principe d’équivalence sur lequel
repose la relativité générale reste inviolé à 10-15 près - une précision 100
fois supérieure aux expériences précédentes.
Manuel Rodrigues, après le succès total de la mission spatiale
CNES Microscope, vient d’être élu Chairman du comité « physique fondamentale
dans l’Espace » au Committee on Space Research (COSPAR) pour une durée de 4 ans.
D'abord que veut dire Microscope ? C'est l'acronyme de
MICRO
Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Équivalence.
Mais rappelons-nous ce qu'est le principe d'équivalence de la
Relativité Générale, il a été amorcé par notre ami Galilée.
Il n'y a pas de différence entre la masse d’inertie ou inertielle
(résistance d’un corps à l’accélération) et la masse pesante ou grave (qui
détermine son poids dans un champ de gravité), c'est le principe d'équivalence
en relativité générale.
On peut aussi dire cela autrement :
les objets tombent à la
même vitesse (dans le vide), c'est la fameuse expérience de Galilée à la
Tour de Pise (qui est probablement un mythe).
On énumère en général
deux principes d'équivalence : le principe « faible », et le principe « fort
».
Le premier est le constat de
l'égalité entre la masse
inertielle et la masse gravitationnelle.
Le second est comme une « interprétation » du premier en termes
d'équivalence locale entre la gravitation et l'accélération (elles sont
localement indistinguables) ;
avec extension à la
relativité générale.
On ne s’intéressera qu’au principe d’équivalence faible, celui de
Galilée où il y a équivalence entre gravitation et accélération.
Quelques mots d’histoire avant d’aborder la mission Microscope :
comment tout cela a-t-il commencé ?
Tiré d’un
ancien astronews qui reste tout à fait actuel : NdlR :
En 1905 Einstein, obscur scribouillard au bureau des brevets de
Berne, publie 5 articles dans "Annalen des Physik", qui vont s'avérer être
révolutionnaires. C'est ce que l'on va appeler la naissance de la Relativité
Restreinte (special relativity en anglais) ; restreinte car elle n'inclue pas la
gravitation ; elle ne s'applique qu'aux objets en mouvement uniforme et non
accéléré.
En 1915, c'est la Relativité Générale, la gravitation fait partie
intégrante des équations, c'est une généralisation de la relativité restreinte.
Les points principaux sont : toute masse courbe l’espace et ce qui va nous
concerner : Équivalence entre gravitation et accélération (fameuse expérience de
l'ascenseur qui tombe)
Mais sa théorie, à cause du conflit mondial, n'est pas connue de
tous encore. Il faudra plusieurs preuves expérimentales (Mercure, éclipse de
Sobral, maintenant les Ondes Gravitationnelles …) avant d’admettre la réalité et
le sérieux de cette théorie.
Seulement, voilà,
les physiciens ont
toujours essayé de prendre en défaut cette théorie, et jusqu’à présent
sans succès.
Et bien la mission Microscope (MICROSatellite
à trainée Compensée pour l’Observation du Principe d’Équivalence) a pour but
principal de prendre en défaut ce principe édicté par Einstein.
Le principe
d’équivalence postule aussi que tous les corps chutent de la même façon dans le
vide indépendamment de leur masse ou de leur composition, les anciens se
souviennent de cette expérience faite sur la Lune par
Apollo 15 avec la chute d’une plume et d’un marteau dans le vide lunaire.
Ils arrivèrent en même temps au sol. (« Mr Galileo was right ! »
a dit Dave Scott à cette occasion)
Une autre
façon d’énoncer ce principe est de dire que la masse inertielle, celle qui
s’oppose au mouvement d’un corps et la masse pesante (ou gravitationnelle ou
grave comme on disait dans le temps) liée à la force de gravité, celle qui
détermine son « poids » dans ce champ de gravité sont équivalentes.
Pour ceux qui ne trouvent pas ce principe logique et le trouve
plutôt contre nature car il défie le bon sens (un objet lourd devant tomber plus
vite qu’un objet léger) voici quelques explications.
Un objet qui tombe est soumis à deux forces :
· La gravité, la fameuse loi de Newton, plus l’objet est
massif, plus il est attiré fortement, ici vers le centre de la Terre
· Mais l’objet est aussi soumis à la force d’inertie,
plus un objet est massif plus il faut développer d’effort pour le déplacer.
Cette force d’inertie dépend aussi de la masse
Donc notre objet en chute libre est confronté à ces deux forces,
et il se trouve qu’elles se compensent parfaitement !
La masse gravitationnelle est identique à la masse inertielle,
c’est le principe d’équivalence, jamais pris en défaut encore à ce jour.
C’est ce genre d’expérience à laquelle ont participé nos glorieux
anciens comme Galilée, Newton et Einstein.
Au fil des siècles, ce principe a été maintes fois vérifié,
· D’abord par Galilée avec le chronométrage de boules
glissant sur un plan incliné (à voir au Musée
des Sciences de Florence) pour ralentir la chute et les petites clochettes
le long du parcours
· Newton procède lui à la mesure de pendules de longueurs
identiques et de boules de composition différente, ces pendules battent bien
tous au même rythme avec une précision du millième.
· Deux siècles plus tard, c’est le physicien hongrois
Eötvös qui utilise lui des pendules de torsion et vérifie le principe avec huit
chiffres après la virgule.
· Récemment, basé sur ce même principe avec un
appareillage plus élaboré de « Eöt-Wash », du groupe de E. Adelberger à
l’Université de Washington, on a atteint 3 10-13, c’est le record à
battre.
Alors, pourquoi aller plus loin ? Parce que la Relativité a un
problème de taille, elle est très valable pour la gravitation, mais totalement
incompatible avec les trois autres forces de la physique des particules.
Les théories actuelles essaient d’unifier les quatre forces, et
elles s’attaquent toutes à ce sacro-saint principe d’équivalence !
Si ce principe était pris en défaut, cela pourrait valider une
théorie (les cordes) plus qu’une autre.
On a donc jusqu’à présent pu tester ce principe d’équivalence sur
Terre avec une précision de l’ordre de 10-13, Microscope devrait nous
faire gagner un facteur 100 avec 10-15 de précision, seulement
possible d’être atteinte dans l’espace, loin de toutes perturbations terrestres.
Cela correspond d‘après les scientifiques à
détecter une mouche posée
sur un super tanker de 500.000tonnes !
Graphique : différents tests du principe, en vertical la
précision et en horizontal l’année. Zone verte : recherche d ‘une 5ème force ;
zone bleue : laser lunaire.
Les autres noms correspondent aux divers sites de mesure.
Crédit
Clifford Will.
La mission Microscope est donc une mission de physique
fondamentale, mais comment mettre Einstein en défaut ?
De telles variations d’accélération sont imperceptibles à notre
échelle, mais pas pour des instruments ultra précis que l’on appelle
des accéléromètres.
Un accéléromètre est
un capteur qui fixé à un objet permet de mesurer l’accélération de ce dernier.
Le fonctionnement d’un accéléromètre est basé sur la première loi
de la dynamique, qui s’énonce ; F = m g.
On va mesurer en fait la force exercée sur une masse suspendue
par un champ électrostatique, et on en déduira l’accélération.
Ces masses seront donc en lévitation sans frottement et donc
sensibles aux différentes accélérations.
Et les accéléromètres de l’ONERA (Office
national d'études et de recherches aérospatiales), sont les plus précis au
monde, même nos amis américains nous envient !
Mais comment étudier le principe d’équivalence avec deux
accéléromètres ?
En étudiant la chute libre de deux corps de masse inégale et de
composition différente
Fin de l’introduction
Pour cela on fait appel à des accéléromètres très précis dont
l’unité de mesure est en
pico g, soit 0,981 x 10-11 m/s²
Rappelons que 1 g (9,81 m/s2) est l’accélération de la
pesanteur (intensité de gravitation du champ terrestre) au niveau de la mer.
Cela signifie que l'on ne peut pas au moins localement
distinguer entre une force de gravitation et une force d'accélération.
Pensez à l'expérience de l'ascenseur auquel on coupe la
corde d'attache (ne pas reproduire !!), à l'intérieur la pesanteur est annulée
(jusqu'à l'arrivée un peu rude !!) comme si on était dans l'espace.
Le principe
d’équivalence : l’universalité de la chute libre.
· Force de gravitation : 𝐹𝑔=𝑚𝑔 𝑔
·
2ème loi de Newton pour des objets en chute libre
:
𝑚𝑖
𝑎 =
𝐹𝑔 =𝑚𝑔
𝑔
Mg : masse grave
Mi : masse inertielle
Avec
MICROSCOPE on cherche une précision de 10-15
Mais comment étudier le principe d’équivalence avec deux
accéléromètres ?
En étudiant la chute libre de deux corps de masse inégale et de
composition différente
Les
accéléromètres embarqués par Microscope sont du type T-SAGE
(Twin space accelerometre for space gravity experiment)
C’est donc un double accéléromètre, l’un le SU-PE (Sensor Unit)
dédié au test du principe d’équivalence comprend deux masses cylindriques
concentriques suspendues électrostatiquement :
· une grosse masse en Titane (TA6V) (cylindre extérieur)
et une masse plus petite en Platine-Rhodié (PtRh10 : 10% de Rhodium) (cylindre
intérieur),
· l’autre capteur appelé SU-REF (pour Référence) est
identique au précédent à l’exception de la grosse masse qui est aussi en
Platine-Rhodié.
Le choix du Platine et du Titane est justifié par leurs
caractéristiques atomiques différentes, c’est important dans le cas de
découverte éventuelle d’une nouvelle interaction fondamentale, mais aussi, ils
ont un coefficient de dilatation faible, sont peu sensibles au vieillissement
des matériaux et aux effets magnétiques, et ils sont usinables facilement.
Photo : les accéléromètres : SU-PE à gauche et SU-REF à droite
(crédit ONERA)
Ces deux accéléromètres ont une structure cylindrique de type
« poupée russe ».
Le principe de l’expérience est de mesurer une possible infime
variation d’accélération entre les deux masses de nature différente, si le
principe d'équivalence est vrai, les deux masses subiront la même chute libre et
resteront immobiles l'une par rapport à l’autre. En fait on étudie ainsi la
chute libre de ces masses dans l’espace.
C’est un véritable défi technologique.
Crédit : ONERA
Chaque masse d’épreuve cylindrique est entourée d’un ensemble
d’électrodes ayant 2 fonctions
1) Mesure position, angle de la masse d’épreuve
2) A partir de ces mesures, génération de forces électrostatiques pour maintenir
les masses immobiles
L’intensité des forces appliquées détermine la mesure d’accélération
Cette mission de physique fondamentale (et pas trop chère : 130M€
avec le lancement) pourrait ouvrir de nouveaux horizons aux théories de la
gravitation et à ceux qui souhaiteraient la compléter avec d’autres forces
fondamentales et même aller au-delà de la Relativité Générale.
Avec l’expérience Microscope, on pourra assister à la chute d’un
objet pendant plusieurs mois contre quelques secondes à peine sur Terre, comme
l’expérience de Galilée.
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
département Gemini traite les données, le centre allemand des applications de la
microgravité (ZARM Brême), l'agence nationale de métrologie de la République
fédérale d'Allemagne (PTB).
Les
facteurs perturbateurs possibles :
À l’altitude considérée, le satellite n’est pas 100% en chute
libre, des forces extérieures s’exercent sur lui créant des perturbations qu’il
faut compenser.
L’un des accéléromètres différentiels (la référence) sert à
mesurer les perturbations, par exemple :
· la trainée atmosphérique
· la pression de radiation (des milliers de fois plus
importante que le signal) et servira à corriger, l’autre accéléromètre celui de
mesure.
· le niveau des réservoirs qui change le cdg
· les câbles électriques dans un champ magnétique sont
soumis à des forces dont il faut tenir compte
· les micrométéorites exceptionnellement etc…
Pour la validité des mesures, les deux masses doivent être au
même endroit, ou au moins avoir leur centre de masse au même point ; cela est
garanti à quelques dizaines de microns près ; sinon la variation enregistrée est
plus importante que le signal attendu.
Mais ce n’est pas tout, les variations thermiques doivent être
mesurées et compensées. La conception de l’isolation du système permet d’assurer
la constance de la température au millième de degré près.
Les
capteurs sont à bord d’un satellite en orbite héliosynchrone (passe à la même
heure solaire au dessus du même point tous les jours) et sa position doit être
corrigée de façon continue, basée sur le signal « perturbé ».
Celui-ci actionnera un jeu de 8 propulseurs à gaz froid
(similaire à Gaia et Lisa Pathfinder) ayant des poussées excessivement faibles
de l’ordre du micro-Newton.
Illustration : CNES
Le
lancement.
Le
25 Avril 2016, après plusieurs reports, le satellite Microscope a été mis
en orbite héliosynchrone quasi-circulaire à une altitude d’environ 710 km de
la Terre à l’aide d’une
fusée Soyuz partie de Kourou.
Il est sur une orbite où il est pendant une longue période en
permanence exposé au Soleil (pour éviter les variations thermiques trop
importantes).
En fait le satellite principal était Sentinel IB frère jumeau de
Sentinel-IA lancé il y a deux ans, trois nanosatellites faisaient aussi partie
du voyage.
Les données de vol seront exploitées par le Centre de Mission
Scientifique MICROSCOPE (CNSM)
localisé à Palaiseau (Essonne).
Photo : Arianespace.
Une semaine après son lancement, MICROSCOPE se réveille et livre
ses premières mesures. Il vient de commencer sa mission en activant ses
paramètres vitaux, en particulier l’instrument.
T-SAGE a été mis en route, et le déblocage des masses d’épreuve
en orbite, phase la plus critique de la mission, a été réalisé également avec
succès. Celles-ci flottent maintenant librement dans l’espace, prêtes à
commencer les mesures du test du Principe d’Équivalence.
Les premiers résultats après seulement 8 jours (120 orbites) :
1,3 10-14
On va atteindre 10 fois mieux en
·
Cumulant des données pour réduire l’effet des
erreurs statistiques (√𝒕)
·
Mieux estimer les effets systématiques :
Environnement thermique à mieux que
0.000 000 1 °C
Environnement vibratoire du satellite
: « éliminer les battements d’ailes de mouche sur le supertanker »
Et
viennent enfin les résultats après 13193 orbites :
10-15 !!!
Einstein a encore raison !
QUE SE
PASSERAIT IL SI…..MICROSCOPE PRENAIT EINSTEIN EN DÉFAUT ?
La précision inégalée du test de validité de la Relativité
Générale à 10-15 près (un millionième de milliardième !!!) pourrait
peut-être enfin montrer un écart (très faible bien sûr) de ce principe
d’équivalence.
C’est en tout cas ce qu’espère Thibault Damour, physicien à
l’Institut des hautes études scientifiques (IHES) de Bures-sur-Yvette (Essonne),
comme on a pu lire dans la presse (voir article de Sciences et Avenir).
Si au bout de sa mission, Microscope prouve que ce principe est
violé, les physiciens auront du pain sur la planche. La gravitation ne serait
pas aussi simple que ce qu’Einstein voulait nous faire croire, tout serait
imaginable d’une modification de la loi de Newton à grande distance à
l’introduction d’une nouvelle particule, le dilaton. Particule compatible avec
la théorie des cordes.
On aborderait peut-être le chapitre d’une nouvelle physique avec
peut-être d’autres dimensions d’Univers…
Ou une modification de la gravitation.
Bref, nos futurs physiciens et ingénieurs ont du travail devant
eux, on embauchera dans les universités scientifiques….
CONCLUSION.
MICROSCOPE :
v
EINSTEIN a toujours raison à 10-15
v
Première expérience de physique fondamentale dans
l’espace en Europe
v
Premier satellite contrôlé 6 axes en orbite
terrestre
v
Première expérience mondiale du test du PE dans
l’espace
v
Meilleure expérience de la relativité générale au
monde
FUTUR :
v
Démonstration du potentiel de l’Espace pour de la
physique de haute précision
v
OUI il faut aller plus loin en précision car les
physiciens sont persuadés que la relativité générale n’est pas complète
v
La recherche du Graal continue …
Actuellement MICROSCOPE tombe de quelques km par an, il va mourir
de sa belle mort en brûlant dans l’atmosphère terrestre.
POUR ALLER PLUS LOIN :
Microscope Mission: Final Results of the Test of the Equivalence Principle
Et sur Arxiv
(gratuit) : MICROSCOPE mission:
final results of the test of the Equivalence Principle
En vidéo :
MICROSCOPE : la France
va-t-elle ringardiser Einstein ? vidéo à voir.
La Gravité selon Einstein En
3 minutes, un rappel, sur YouTube
Montage en accéléré du
satellite Microscope en vidéo.
Sur le Net :
Les résultats finaux de la mission MICROSCOPE atteignent une précision record
La
mission spatiale MICROSCOPE pour le test du Principe d’Équivalence par Gille
Métris. Excellent à lire
Le site de la mission à
l’ONERA et en un peu plus
détaillé.
Microscope : la gravitation mise à l'épreuve ! par le CNES.
La mission Microscope par eo-portal (earth observation)
Einstein avait-il raison? : CR de la conférence de C Will à l'IAP le 2 Juin
2009
Les tests de la Relativité Générale : CR SAF (cosmologie) par G
Esposito-Farese du 18 Janv 2016
Bon ciel à tous
Prochaine conférence SAF. : le
mercredi 8 Novembre (CNAM amphi Grégoire°) 19 H avec François
HAMMER Astronome GEPI
Observatoire de Paris sur « Gaia et la masse de la Galaxie et la nature des
galaxies naines de son halo »
Réservation comme d’habitude à
partir du 12 Octobre 9h00 ou à la SAF directement. La suivante : le 13
Décembre : Transmission en direct sur le canal YouTube de la SAF : https://www.youtube.com/channel/UCD6H5ugytjb0FM9CGLUn0Xw/feautured
À NOTER AUSSI :
*** ÉCOLE
CHALONGE, réunion de clôture de 2023 :
le 12 décembre à 16h00 et recevra pour une conférence en vidéo
Le prix Nobel de physique ADAM RIESS
Sur H0 ET L’EXPANSION
DE L’UNIVERS
Une conférence (en anglais) à ne pas manquer
Ceux qui étaient déjà inscrits l’année dernière n’ont pas besoin
de se réinscrire sinon :
https://chalonge-devega.fr/registration_zoom.html
Bon ciel à tous !
Jean Pierre
Martin
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