mise à jour le 26 Décembre 2005

 

    

 

LA GRAVITATION À L'ÉPREUVE DE L'ESPACE
CONFÉRENCE - DÉBAT

Organisée par le CNES et l'ONERA

Dans le grand auditorium du CNRS, à Paris, France

 

Le Jeudi 15 Décembre 2005 à 20H00

 

 

 

 

Photos : JPM pour l'ambiance.

Texte Roland Querry et JPM

 

BREF COMPTE RENDU

 

 

Conférence-débats animée par Fabienne Chauvière, journaliste à France Inter

 

 

Le sujet du débat de ce soir est la discussion de la mission Microscope qui doit être lancée pour tester le principe d'équivalence de la relativité générale, cela revient à une expérience d’une chute libre, qui va durer presque un an, en orbite autour de la Terre.

 

Détails au cours de la discussion.

 

 

 

 

De gauche à droite sur la photo :

 

Sylvie Léon-Hirtz, responsable du programme « physique fondamentale » au CNES.

Serge Reynaud, directeur de recherche au CNRS, directeur du groupe de recherche « Gravitation & expériences dans l’espace ».

Fabienne Chauvière, animatrice et journaliste à France Inter.

Pierre Fayet, directeur de recherche au CNRS & membre correspondant de l’Académie des Sciences.

Pierre Touboul, directeur du département « mesures physiques » de l’ONERA, responsable de la mission microscope.

Jean-Bernard Dubois, chef du projet Microscope au CNES

 

 

 

Public attentif pour un sujet complexe et passionnant.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D'abord que veut dire Microscope? C'est l'acronyme de

MICRO Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence.

Tous ces termes vont s'expliquer au cours de la discussion.

 

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.

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.

 

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).

 

 

 

PF : Cette mission a pour but de tester le Principe d’équivalence de la RG.

 

JBD : Il s’agit d’un micro-satellite à traînée compensée pour l’observation du principe d’équivalence.

 

SR : Le principe d’équivalence correspond à l’universalité de la chute libre, déjà démontré par Galilée.

 

PT : En tant qu’expérimentateur, je voudrais dire que nous allons mesurer la gravitation à 10-15 g près, pour donner une image de cette précision, cela correspond, pour un cycliste, à un freinage de quelques millions d’années, sur une distance de 10 fois la distance Terre-Soleil. Pour effectuer cette expérience , on reprend l’idée de Galilée, à savoir : la chute libre de deux corps de densités différentes, ayant une orbite terrestre identique, ce sont des cylindres concentriques, qui doivent être soumis tous deux au même champ de gravité (jeux d’électrodes, pièces en silice, résolution subatomique : 10-11 m). Ce sont des accéléromètres platine et titane. L’ONERA est responsable du développement de la charge utile, le CNES du micro-satellite.

 

 

 

(Pierre Touboul et JB Dubois nous expliquent les principes)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SR : Les expériences faites par Galilée ont été réalisées avec des plans inclinés et des pendules (Musée de l’Histoire des Sciences de Florence). Ce choix du plan incliné est justifié par le fait que les mouvements sont plus lents et la résistance de l’air plus faible ; quant au pendule, c’est une chute libre à répétition, qui permet d’obtenir de bonnes précisions au cours des observations. Avec Microscope nous allons avoir une chute libre qui va durer presque une année. Galilée a décrit le mouvement uniformément accéléré. Newton parle de l’identité entre gravité et inertie, il refait toutes les expériences de Galilée, en comparant plus de corps différents que Galilée. Galilée atteignait une précision de l’ordre de 1%, Newton le 1/1000, puis 1 pour 100 millionièmes avec Einstein, aujourd’hui 10-12, une partie pour un million de millions et Microscope 10-15.

 

PT : Une chute libre depuis la tour Eiffel dure 8 secondes, dans une tour à Brême de 120m de haut, durée de chute de 4,7 s. Expérience des astronautes américains sur la lune qui lâchent une plume et un marteau qui arrivent au sol en même temps a été vue par des millions de téléspectateurs.

 

SLH : L'espace est un nouvel environnement pour faire des expériences de physiques.

Microscope va effectuer une mesure sur 120 orbites à 700 km de la Terre.

 

JBD : En ce moment on termine la conception du satellite qui sera construit à Toulouse, on devrait dire plutôt mini-satellite, car les masses d’épreuve sont comprises entre 500 g et 1,5 kg, le poids du satellite sera d’environ 200 kg pour un volume d’un mètre cube. Il faut le concevoir autour de son instrument, il faut démontrer l’exactitude de la mesure qui sera effectuée, il faut aussi caractériser l’environnement.

Il faut trouver la bonne orbite, ni trop loin, ni trop près de la Terre, déterminer le plan par rapport au Soleil, son inclinaison, etc…

Il doit être exposé continuellement au Soleil, à 710 km l’orbite est soumise à une traînée de l’atmosphère, mais aussi à la pression de radiation de la Terre et du Soleil, aux réflexions…

 

On compense la traînée par 12 propulseurs électriques à effet de champ (ions de Césium projetés par une fente de un micron de large à des vitesses de 100 km/s) qui délivrent des poussées de 0 à 150 micro-Newton en continu. Il faut aussi annuler les accélérations non-gravitationnelles. Il faut orienter le satellite autour de son centre de masse grâce à un senseur. La température doit être maintenue constante au milli-Kelvin près, effectuer un découplage d’enceintes, résoudre les problèmes de pointage vers le centre de la Terre (mieux que l’arc seconde à la vitesse qui nous intéresse). Il faut aussi tenir compte du champ magnétique pour contrôler l’attitude du satellite.

 

Si la gravité est constante, ça va, si elle est différentielle, il y aura un effet décelable au cours du temps, entre les deux masses d’épreuve. Les câbles sous l’effet du champ magnétique provoquent des forces de Lorentz, il faut réfléchir au circuit de câblage, et aux contraintes thermiques autour des masses d’épreuve. Il faut la précision du 1/10 de micron pour l’usinage des masses d’épreuve, leur distance est de 20 microns seulement, elles seront en suspension électrostatique

 

Le CNES est le maître d’ouvrage, l’ONERA s’occupe de la charge utile (l’instrument). L'OCA département Gemini traite les données, ce projet s'effectue en coopération avec l'Allemagne : l'université de Brême et le fameux PTB. L'ESA fournit les micro propulseurs.

 

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, coefficient de dilatation faible, vieillissement des matériaux, peu sensibles aux effets magnétiques, et usinables facilement.

 

 

 

Il y a deux accélérateurs différentiels, l'un équipé de masses identiques et servant à caractériser les perturbations (la traînée atmosphérique et la pression de radiation sont 10.000 fois plus importante que le signal à mesurer) et donc à les corriger par un système d'asservissement; et l'autre de deux masses de nature différente (Ti et Pt) testant le principe d'équivalence et donnant éventuellement un signale de violation.

 

On voit ces masses d'épreuve (cylindres emboîtés) en arrière plan de la photo ci-contre.

 

 

 

 

 

 

 

Pour l’instant lancement probable de Microscope en 2009 sur une plate-forme Myriade du CNES, peut-être de Baïkonour avec les premiers résultats 2 ans après, un an de mesures et au moins un an de traitement des données.

 

Que cherche t on dans ces violations éventuelles : des forces supplémentaires à longue portée qui permettraient de valider des théories concurrentes à la relativité générale.

 

Comme l'a dit un intervenant : la RG ne sera pas là pour toujours.

 

 

 

Le CD diffusé à la fin de la séance (pour ceux qui étaient au courant!) est extraordinairement bien fait et fait parfaitement le tour du problème et accessible à tous.

Il peut être demandé auprès du CNES à : cecile.perol@cnes.fr  , je pense que même si vous n'avez pas participé au Quiz de fin de séance vous pourrez l'obtenir.

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN

 

Le site de Microscope au CNES.

 

Le site de Microscope à l'ONERA.

 

De Jean Bernard Dubois un article récent format pdf de 22 pages 1,5MB : Microscope : un satellite aux multiples défis

 

Des journées scientifiques de l'OCA de Janvier 2005 : présentation du projet Microscope; 1MB format pdf 21 pages , bien fait.

 

De Manuel Rodrigues de l'ONERA un article un peu plus ancien de 23 pages pdf  3,2MB :
Accéléromètres différentiels électrostatiques pour la mission MICROSCOPE

 

La RG pour débutant 67 pages pdf : il y a quand même un peu (beaucoup) de mathématiques.

 

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin

www.planetastronomy.com