À l’aide d’un satellite spécialement conçu pour cet usage, une équipe internationale de scientifiques a mesuré les accélérations de paires d’objets en chute libre sur l’orbite terrestre. C’est le premier test expérimental dans l’espace du principe d’équivalence faible. L’équipe a montré avec une précision sans précédent que deux objets tombent à la même vitesse dans le vide.
Le principe d’équivalence faible (PEF) stipule que des corps de compositions et/ou masses différentes tombent à l’identique dans le même champ gravitationnel (en supposant qu’il n’y ait aucune autre influence extérieure, comme la résistance de l’air). Einstein l’a formulé en 1907 comme fondement de la relativité générale, rendant équivalentes les masses « inertielle » et « gravitationnelle ». Galileo aurait testé ce principe du haut de la tour de Pise en Italie, tout comme l’astronaute David Scott en lâchant un marteau et une plume à la surface de la Lune en 1971.
De nombreux tests de précision du PEF ont été réalisés depuis ; les expériences au sol ont culminé au début des années 2000, montrant que les accélérations de deux objets en chute libre étaient identiques à quelques 10-12 près. Le PEF a également été testé via le mouvement de la Lune et de la Terre autour du Soleil, pour augmenter la précision des mesures. L’idée de tester le PEF dans un laboratoire spatial a été évoquée dans les années 1970, avec pour objectif d’atteindre des précisions toujours plus grandes.
Sonder les limites de la relativité générale
L’observation du PEF est véritablement contre-intuitive (le bon sens voudrait qu’un objet plus lourd tombe plus vite qu’un objet plus léger) et illustre à quel point la gravité est une force étrange et mystérieuse. Pour mieux comprendre cette force — et par extension, certains aspects encore insondables de la physique tels que la matière noire — les physiciens tentent de tester l’égalité entre les masses inertielles et gravitationnelles avec une précision de plus en plus élevée. Trouver la limite du PEF — ce qui revient à mettre en évidence une violation de la relativité générale — pourrait potentiellement mener à de nouvelles théories unifiant la physique quantique et classique.
C’est pourquoi, dans les années 2000, le CNES (Centre national d’études spatiales), l’ONERA (Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales) et l’OCA (Observatoire de la Côte d’Azur) ont développé le satellite MICROSCOPE. Lancé en 2016, le satellite a tourné pendant deux ans autour de la Terre, à une altitude de 710 km, cumulant cinq mois de données scientifiques en chute libre. Réalisée dans l’espace, l’expérience s’est libérée de nombreuses incertitudes systématiques inhérentes aux mesures terrestres, telles que le bruit des vibrations sismiques ou les variations du champ gravitationnel causées par les montagnes voisines.
L’expérience a consisté à placer deux cylindres coaxiaux de titane et de platine en chute libre dans le champ gravitationnel terrestre ; ils étaient maintenus en équilibre par des forces électrostatiques, qui corrigeaient de minuscules perturbations sur le satellite. Tout écart dans ces forces de correction — une mesure connue sous le nom de rapport d’Eötvös — aurait indiqué que les deux cylindres tombaient à des vitesses légèrement différentes et donc, que le PEF était violé. Les mesures ont été effectuées à l’aide d’accéléromètres électrostatiques différentiels ultrasensibles conçus par l’ONERA et embarqués sur le satellite.
Les premiers résultats, publiés en 2017, n’ont révélé aucun écart entre les mesures, avec une précision de l’ordre de 10-14. Les derniers résultats obtenus par l’équipe ont confirmé que les accélérations des deux cylindres ne différaient pas de plus d’une partie sur 1015 (soit un billiardième) — ce qui exclut toute violation du PEF jusqu’à cette échelle. « En plus de ses résultats remarquables, cette expérience a validé de nombreux concepts et identifié des pistes d’amélioration. Compte tenu des défis auxquels la physique fondamentale est encore confrontée, ce résultat peut inciter à aller au-delà de ce niveau de précision », écrivent les chercheurs.
Une expérience qui pourrait conduire à de nouvelles théories physiques
Ce résultat est important, car il définit les contraintes les plus étroites à ce jour sur l’échelle à laquelle toute violation du PEF pourrait se produire. Cette première étude a également mis en évidence certaines améliorations à apporter pour les futures expériences satellitaires — notamment des mises à niveau d’équipement, incluant le remplacement des câbles par des dispositifs sans contact et la réduction des « craquements » dans le revêtement des satellites, qui ont affecté les mesures.
Les physiciens espèrent qu’à terme, ces expériences de précision permettront de découvrir des violations pouvant conduire à de nouvelles théories physiques pour expliquer la matière noire ou l’énergie noire. « Nous sommes presque sûrs qu’il y a une violation à un certain niveau, mais il est difficile de prédire quel est ce niveau », a déclaré Gilles Métris, scientifique à l’Observatoire de la Côte d’Azur et co-auteur de l’étude.
De nombreuses théories de la cosmologie prédisent l’existence d’interactions qui pourraient affecter le PEF à différentes échelles dans l’Univers. Par exemple, certaines théories construites pour expliquer l’énergie noire envisagent que le PEF pourrait être violé en orbite autour de la Terre. La prochaine génération d’expériences, telles que STE-QUEST et MICROSCOPE 2, devrait atteindre un niveau de précision de l’ordre de 10-17 et repousser encore un peu plus les limites de ces théories.
Cependant, les résultats de MICROSCOPE resteront probablement les contraintes les plus précises sur le PEF pendant un certain temps : « Pendant au moins une décennie ou peut-être deux, nous ne voyons aucune amélioration avec une expérience de satellite », a déclaré Manuel Rodrigues, scientifique à l’ONERA et membre de l’équipe MICROSCOPE.
