Historique

Données générales
Organisation	CNES, ONERA
Programme	Myriade
Lancement	Prévu en avril 2015
Lanceur	?
Durée de vie	1 an
Site	http://microscope.onera.fr/index.html http://smsc.cnes.fr/MICROSCOPE/Fr/
Masse au lancement	120 kg
Orbite	Polaire héliosynchrone à 700km
T-SAGE	Accéléromètres différentiels

La mission Microscope, pour MICRO Satellite à trainée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence, a été sélectionnée par le CNES en 1999 sur proposition de l'ONERA et de l'Observatoire de la Côte d'Azur. Le lancement initialement prévu en 2004 a été plusieurs fois reporté et est actuellement (2011) prévu en avril 2015.

L'objectif de cette expérience est de tester le principe d'équivalence. Ce principe stipule l'égalité de la masse grave, liée à la pesanteur, et de la masse inertielle, responsable de l'inertie des corps. Il s'agit d'un des principaux postulats de la relativité générale, actuellement vérifié à quelques $10^{-13}$ ^[1]. Néanmoins certaines théories candidates à l'unification de la relativité générale et de la mécanique quantique, telles que la théorie des cordes ou la Supergravité, prévoient une possible violation de ce principe à des échelles inférieures. Microscope, en s'isolant des contraintes inhérentes à l'environnement terrestre, permettra de descendre jusqu'à une précision de $10^{-15}$ .

Objectifs, améliorations par rapport aux précédents tests

Lorsque l'on veut effectuer des mesures très précises, il est nécessaire de contrôler tous les paramètres de l'expérience: il faut que rien ne vienne la perturber. Pour tester le principe d'équivalence, on a besoin que les masses en chute libre, nécessaires à l'expérience, soient plongées dans le même champ gravitationnel or, ce dernier fluctue sur Terre. En effet, plus on se rapproche du centre de la Terre et plus il est important, de plus il n'est pas homogène sur l'ensemble de la surface à cause l'activité humaine notamment. D'où l'idée de se placer en orbite autour de la Terre pour être dans un champ plus uniforme, moins perturbé. En s'affranchissant ainsi des variations des gradients de pression, la mission Microscope à pour but d'atteindre une précision 100 fois plus grande que celle des tests effectués sur Terre.

Description de l'expérience

Principe

Pour tester le principe d'équivalence, le système mis en orbite autour de la Terre se compose de deux accéléromètres différentiels. Chaque accéléromètre comprend deux masses concentriques cylindriques, en tout il y a une masse en titane et trois en platine. Le but de l'expérience est de vérifier avec une extrême précision que deux masses différentes, en chute libre dans le même champ de pesanteur, subissent la même accélération. L'accéléromètre qui servira à calibrer l'expérience, et donc à déterminer sa précision, renferme les deux masses en platine. Le second accéléromètre comprenant une masse en titane et l'autre en platine donnera des résultats qui valideront ou invalideront la théorie.
Les propulseurs électriques du satellite viennent compenser toutes les autres forces qui pourraient s'exercer sur les masses afin que ces dernières soient effectivement en chute libre et sur la même orbite. D'autre part, il faut que, pour chaque système de deux masses, ces dernières soient centrées avec une précision de la dizaine de micromètres et que leur différence de position soit inférieure au micromètre. Ces exigences sont satisfaites par un système de servocommande: des forces électrostatiques vont maintenir les masses tests en place.
C'est aussi grâce à ces systèmes que l'on va pouvoir mesurer l'accélération des masses et la variation de leur orbite. En effet, lorsque les masses vont chuter il va falloir que les forces électrostatiques compensent cette chute et donc varient pour pouvoir maintenir les masses au centre. On pourra donc relier ces écarts de forces à l'accélération et à la trajectoire et comparer leurs valeurs pour les différentes masses pour vérifier la théorie. Si les trajectoires sont différentes alors le principe d'équivalence n'est pas vérifié.

Les contraintes liées à l'environnement spatial

Mener l'expérience dans l'espace permet de s'affranchir des contraintes environnementales terrestres mais nécessite de contrecarrer les contraintes qui peuvent se rencontrer en orbite. En effet, pour que le test du principe d'équivalence soit réalisé de façon pertinente, il faut que les masses que l'on compare se trouvent dans des conditions identiques. Tout d'abord, elles doivent voyager sur la même orbite et posséder le même centre de masse; cela implique que les masses doivent être concentriques et que leur position doit être réglée très précisément (de l'ordre du micromètre)grâce à de nombreux actuateurs, forces électrostatiques et grâce aux micropropulseurs qui compensent les effets de trainée dus aux particules atmosphériques. D'autre part, le satellite doit offrir une grande stabilité spatiale et en température, paramètres susceptibles de modifier la chute des masses. C'est pourquoi les acceléromètres comportent des petites cavités de vide pour isoler thermiquement et fournir un abri magnétique aux masses. On estime à moins de 1% la variation de la température sur une orbite. Une autre contrainte est liée à la calibration du système: elle ne peut s'effectuer qu'en orbite pour mesurer précisément la sensibilité du système. Pour finir, un tel système embarqué est limité par sa taille et son poids. En effet, ce type de micro-satellite ne peut acceuillir une masse embarquée que de l'ordre de 25kg. Ainsi on ne peut pas choisir n'importe quel valeur ou nombre de masses. Cependant, si on arrive à s'affranchir des toutes ces contraintes avec des moyens technologiques permettant une grande précision, l'objectif de Microscope pourra être atteint.

Mise en œuvre

    1)Etalonnage

La première étape majeure du projet est le calibrage du système. En effet, ce dernier est une condition nécessaire pour atteindre une précision globale de $10^{-15}$ . Dans cette étape, il va falloir déterminer tous les écarts induits par les composants du système, la précision en position des masses, des accéléromètres, celle du système global sur son orbite,... Comme les accéléromètres sont des instruments très sensibles, l'étape de calibrage ne peut se faire qu'en orbite.
L'étalonnage détermine l'influence des contraintes extérieures évoquées ci-dessus sur le système. Pour obtenir la précision souhaitée, il est nécessaire de connaitres la position des masses à 10µm près, l'influence de la gravité sur l'orbite sélectionnée,... Il faut aussi pouvoir aligner les axes des accéléromètres à 0.01rd près. Toutes ces conditions nécessitent l'utilisation d'une technologie de pointe, car le moindre écart de précision limiterait fortement les chances de succès des mesures.

     2)Expérimentation

Une fois toutes les étapes d'étalonnage effectuée, on peut passer au test du principe d'équivalence.

Référence

Pour commencer, on utilise seulement l'accéléromètre différentiel contenant les deux masses identiques. On laisse les masses en chute libre et on regarde si elles tombent de la même façon puis on réitère l'opération de calibrage précédente. Cette étape va nous permettre de vérifier qu'il n'y a pas eu de décalage induit par le mouvement des masses en comparant le début et la fin de l'expérience. Si c'est le cas, on sera en mesure de le quantifier pour améliorer la précision du test. D'autre part on va pouvoir déterminer l'exactitude de la mesure en comparant la chute des deux masses identiques.

Test du principe d'équivalence

Voici enfin l'étape qui va permettre de valider ou non le principe d'équivalence avec une précision encore jamais atteinte. On utilise alors le second accéléromètre différentiel qui comporte les deux masses faites d'un matériau différents. Une fois la mesure effectuée on recommence l'étape de calibrage comme précédemment. On mesure l'écarts de trajectoire entre les deux masses en chute libre et ensuite il ne reste plus qu'à interpréter les données recueillies par le système.

L'expérimentation est censée durer 6 mois environ. Durant ce laps de temps le système peut être utilisé sous différents modes selon le résultat voulu.

Traitement des données

Si le principe d'équivalence est vérifié alors, lorsque les masses, initialement sur la même orbite, tombent en chute libre elles doivent rester sur cette même orbite. Si au contraire le principe n'est pas vérifié, alors le système va devoir générer des forces électrostatiques différentes sur chacune des masses pour les garder sur la même orbite. C'est donc l'intensité de ces forces qui va être mesurée et leur différence sera analysée jusqu'à la précision maximale de l'expérience.

Conséquences possibles des résultats

* Implication dans les théories passées et futures

Si le principe d'équivalence est invalidé alors cela pourrait permettre de donner un moyen de tester une partie de la théorie des cordes par exemple. Cette dernière suppose en effet qu'il existe une force extrêmemnt faible qui modifierait légèrement la gravité selon la composition des objets. En conséquence, il faudrait prendre en compte cette nouvelle force dans toutes les théories déjà élaborées. Si le principe reste validé on dispose alors de précisions supplémentaires quant à l'élaboration de la "théorie du tout". Dans tous les cas, le résultat obtenu amenera encore les scientifiques à effectuer des tests encore plus poussés et donc à mettre en oeuvre de nouvelles prouesses technologiques.

* Avancées en matière de micro-satellites et équipement de précision embarqué.

La mise en oeuvre d'une telle expérience en orbite autour de la Terre nécessite l'élaboration de systèmes de plus en plus sophistiqués. C'est un moteur de recherche et d'améliorations au niveau des micro-satellites et des équipements de précision embarqués. Scientifiques et ingénieurs doivent trouver les meilleurs moyens de concilier précision et contraintes environnementales.

Voir également

Bibliographie/références

↑ [ref necessaire]

Liens à finir

Articles connexes

Liens externes

[mesure-1] [ref necessaire]

[1]