Le projet spatial MICROSCOPE vise à tester le Principe d’Equivalence (PE) avec une sensibilité jamais atteinte aujourd’hui de 10-15.
MICROSCOPE est une mission spatiale conçue en collaboration avec l’Observatoire de la Cote d’Azur, le CNES et le ZARM (Brème, Allemagne).
Elle vise le test du principe d’équivalence avec une sensibilité améliorée de plus de deux ordres de grandeur sur les expériences terrestres actuelles. Ce principe est à la base de la théorie de la Relativité Générale d’Albert Einstein, elle énonce que tout corps placé dans un champ de pesanteur uniforme subit une accélération indépendante de sa nature ou sa masse. Une des conséquences de ce principe est l’universalité de la chute libre dans le vide : la plume et le marteau chute à la même vitesse dans un champ de gravité uniforme. On a donc équivalence entre « Masse Gravitationnelle » et « Masse Inertielle ».
Une violation du principe d’équivalence remettrait en cause le modèle standard de la Physique actuelle et pourrait mettre en évidence une nouvelle interaction. L’enjeu ici est l’unification de toutes les interactions de type « nucléaire ou électromagnétique » avec la « Gravitation » ; l’unification du modèle quantique avec la relativité générale. L’enjeu est considérable.
Une « non-violation » du principe d’équivalence à ce niveau de sensibilité serait néanmoins une contrainte forte sur les modèles alternatifs qui pour certains prédisent une violation en dessous de 10-14.
Pour réaliser cette expérience, le Département de Mesures Physiques de l'ONERA utilise un double accéléromètre électrostatique concentrique. Deux masses cylindriques sont contrôlées par des asservissements pour rester immobile par rapport au satellite. Le satellite est lui-même contrôlé sur une orbite quasi-circulaire, polaire héliosynchrone à 710km d’altitude. L’axe des cylindres constitue la direction de la mesure du test du PE. Lorsque le satellite est en mouvement autour de la Terre en pointage inertiel (pointage « fixe par rapport aux étoiles »), les deux masses d’épreuves vont ressentir la gravité le long de l’axe de mesure à la fréquence du mouvement orbital. Si le PE est vérifié, les deux masses de matériaux différents (PtRh10 pour la masse interne et Ti pour la masse interne) vont subir la même accélération de contrôle pour rester sur la même trajectoire, la mesure différentielle de ces accélérations sera donc nulle. Dans le cas contraire, un signal de différence sera détecté à la fréquence orbitale.
Il est également prévu un mouvement de rotation du satellite autour de l'axe perpendiculaire au plan orbital à la fréquence proche de 10-3Hz qui renvoie le signal « PE » à la fréquence somme des deux mouvements : rotation autour de la Terre + rotation du satellite sur lui-même.
Concept expérimentale de la mission MICROSCOPE: les 2 masses d'épreuve sont maintenues sur la même orbite autour de la Terre. En cas de violation du PE, une accération différente est nécessaire pour controller les deux masses et la différence (en rouge) est précisément mesurée le long de l'axe des cylindres (en noir). Le signal recherché est alors en phase une fois par orbite avec l'axe de mesure.
Pour réaliser cette mission, le CNES et l’ONERA ont mis en œuvre des technologies novatrices jamais testées à ces niveaux de performance en même temps :
- Accéléromètres électrostatiques avec une résolution meilleure que 2 10-12 ms-2Hz-1/2 dans la bande [10-4Hz ; 0.1Hz]
- Micro-propulsion à gaz froid (300µN, dérivée de la mission GAIA) avec des bruits de poussées de l’ordre du µN Hz-1/2
- Hybridation des accéléromètres électrostatiques et des senseurs d’étoile pour le contrôle d’attitude du satellite : limitation des oscillations à la fréquence orbitale à 10µrad
- Compensation 6 axes des forces de surfaces de freinage sur le satellite (trainée, pression de radiation solaire, albédo terrestre….) ou des couples perturbateurs (magnétique principalement) : grâce à la propulsion gaz froid, au senseur d’étoile et aux accéléromètres de l’Onera
- Contrôle passif de la température du bloc charge utile: oscillations de température à la fréquence orbitale inférieures à 1mK
- Mise en œuvre de fonctions numériques des asservissements des accéléromètres pour l’étalonnage en vol
- Précision de la restitution de la trajectoire du satellite entre 2m et 100m