« Le principe d’équivalence d’Einstein a résisté au test du satellite Microscope »

La mission Microscope a pour but de tester le principe d’équivalence d’Einstein dans l’espace. L’enjeu est énorme : si ce dernier était violé, cela ouvrirait une fenêtre sur une nouvelle physique et nous permettrait peut-être, notamment, de percer les secrets de la matière noire et de l’énergie noire. Mais, pour l’heure, le principe d’équivalence d’Einstein résiste au test..

Microscope, un satellite pour tester l’universalité de la chute libre  Dans le vide, les objets sont tous censés tomber à la même vitesse, du moins selon la théorie. Pourtant, en pratique, il semblerait que cela ne soit peut-être pas tout à fait juste. Voici Microscope, un satellite conçu pour tester l’universalité de la chute libre et le principe d’équivalence d’Einstein. Il est ici présenté en vidéo par le Cnes.

L’historien des sciences et physicien Gerald Holton, connu pour son livre L’Imagination scientifique, a rapporté, dans un de ses ouvrages, cette déclaration d’Einstein : « Le plus beau sort d’une théorie physique est de montrer la voie vers l’établissement d’une théorie plus inclusive, dans laquelle elle vit comme un cas limite ». Ainsi, il y a un peu plus de cent ans, la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein détrônait la théorie de la gravitation de Newton.

De la même manière, la mission Microscope (Microsatellite à traînée compensée pour l’observation du principe d’équivalence), du Cnes, cherche aujourd’hui à faire subir le même sort à la théorie d’Einstein en détectant une violation de son principe d’équivalence.

En effet, observer cette violation pourrait constituer une révolution nous ouvrant une fenêtre sur une nouvelle physique. Cette dernière nous donnerait peut-être alors une des clés pour construire une théorie quantique de la gravitation et, également peut-être, nous permettrait de percer les secrets de la matière noire et de l’énergie noire en cosmologie. Or, ce lundi 4 décembre 2017, le Cnes a présenté officiellement les premiers résultats de la mission Microscope : le principe d’équivalence d’Einstein a résisté au test… pour l’instant.

Une mission pour dépasser et mieux comprendre le modèle standard

La mission Microscope est développée et menée par l’Onera et les équipes de Géoazur (CNRS, OCA, université Côte d’Azur, IRD) avec la contribution du Cnes et du Zentrums für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (Zarm). Futura vous l’avait déjà présentée dans un entretien que nous avait accordé Pierre Touboul, chercheur à l’Onera et principal investigateur de cette mission (voir l’article ci-dessous).

Le but est le suivant : tester l’une des hypothèses ayant servi à Einstein pour découvrir et construire sa théorie relativiste de la gravitation, la relativité générale, dont on a fêté le centenaire à la fin de l’année 2015. En l’occurrence, l’objectif était de repousser — d’un ordre de grandeur (un facteur 10), dans un premier temps, puis de deux (un facteur 100) — la précision d’une mesure portant sur la validité du célèbre principe d’équivalence. Le physicien Aurélien Barrau a commenté l’intérêt de cette mesure dans un article sur son blog mis à sa disposition par Futura.

Comme l’explique la vidéo du Cnes ci-dessus, ce principe d’équivalence était déjà connu de Galilée et il stipule simplement que des corps tombent dans le champ de gravitation de la même façon, quelles que soient leurs masses et leurs compositions. Toutefois, certaines des théories proposées pour prolonger le modèle standard de la physique des particules et tenter de mieux comprendre l’origine de ses paramètres libres (dont les valeurs ne s’expliquent pas dans le cadre de ce modèle, comme les masses des quarks et des leptons ou la valeur de la charge électrique), et même pour unifier la force de gravitation avec ces prolongements pour construire une théorie de tous les champs de matière et de forces connues dans l’univers observable aujourd’hui, prédisent qualitativement, et parfois de façon générique, une violation de ce principe d’équivalence.

Il n’existe pas encore de prédictions robustes et précises de l’ampleur de la violation du principe d’équivalence, si ce n’est que celle-ci doit être très faible, en tout cas pour avoir échappé jusqu’ici à toute détection. Les scientifiques en sont donc réduits à repousser patiemment et méthodiquement les frontières d’un territoire connu en espérant tomber un jour sur un hypothétique trésor dont l’existence leur apparaît crédible.

Une moisson de données pas encore analysée

Avant le début de la prise de données par Microscope en décembre 2016, après sept mois de tests des instruments en orbite, la précision atteinte durant les tests de violation du principe d’équivalence était de l’ordre de 10-13 en valeur relative, c’est-à-dire en ce qui concerne des différences d’accélération en chute libre pour deux corps différents. Seulement 10 % des données accumulées ont été analysées à ce jour, mais elles ont déjà permis d’atteindre une précision de l’ordre de 10-14, hélas sans mettre encore en évidence la nouvelle physique recherchée.

Ce résultat n’est nullement décourageant, car non seulement il reste encore des données à analyser, mais une plus grande quantité va être collectée car la mission se poursuit jusqu’au printemps 2018. Ainsi, tout s’annonce pour le mieux en ce qui concerne l’objectif final : atteindre une précision de l’ordre de 10-15, ce qui revient à déceler une différence de l’ordre de la masse d’une mouche entre deux superpétroliers de 500.000 tonnes (il serait possible d’atteindre une précision de 10-18, notamment avec le concept de la mission Step, mais il n’y a pour le moment aucune nouvelle expérience réellement en cours de réalisation en ce sens).

Même l’absence d’une violation du principe d’équivalence à ce niveau de précision serait riche en enseignements car elle poserait des contraintes sur des théories allant au-delà de la physique actuelle, comme celles développées par Thibault Damour et Pierre Fayet, deux sommités françaises mondialement connues pour leurs travaux, respectivement sur la physique des ondes gravitationnelles et sur les théories de la supersymétrie, et qui sont tous les deux potentiellement nobélisables (ces théories reposent sur celles des supercordes et celles des bosons U, ces dernières étant intimement liées à celle des photons noirs).

Sources

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Une réflexion sur “« Le principe d’équivalence d’Einstein a résisté au test du satellite Microscope »

  1. Bon jour,
    Remarque : « une différence de l’ordre de la masse d’une mouche entre deux superpétroliers de 500.000 tonnes. » : je pensais à juste titre que l’on ne pouvait pas faire le rapprochement entre masse (d’une mouche) et tonnes. Soit c’est le poids de la mouche avec les superpétroliers, ou la masse de la mouche 🙂
    Max-Louis

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