Le satellite Discoball mettra la théorie d’Einstein à l’épreuve la plus stricte à ce jour


La surface de LARES-2 est recouverte de centaines de réflecteurs qui réfléchissent les impulsions laser émises par un réseau mondial de stations distantes laser.Crédit : CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/P. Baudon

Un satellite nouvellement lancé vise à mesurer comment la rotation de la Terre entraîne le tissu de l’espace-temps autour d’elle – un effet de la théorie générale de la relativité d’Einstein – dix fois plus précisément que jamais.

Le satellite de relativité laser 2 (LARES-2) a été lancé le 13 juillet depuis le port spatial de l’Agence spatiale européenne (ESA) à Kourou, en Guyane française. Il a été construit par l’Agence spatiale italienne (ASI) pour un coût d’environ 10 millions d’euros (10,2 millions de dollars américains) et a été lancé lors du vol inaugural d’une version améliorée de la fusée européenne Vega appelée Vega C.

Les performances de la fusée ont été “spectaculaires”, a déclaré le chef de mission Ignazio Ciufolini, physicien à l’Université du Salento à Lecce, en Italie. “L’ESA et l’ASI ont mis le satellite en orbite avec une précision de seulement 400 mètres.” Ce positionnement précis contribuera à améliorer la qualité des mesures des chercheurs, a ajouté Ciufolini.

“Je pense que c’est un grand pas en avant dans la mesure de cet effet”, a déclaré Clifford Will, physicien théoricien à l’Université de Floride à Gainesville.

Sphère réfléchissante

La structure de LARES-2 est d’une simplicité désarmante : il s’agit d’une sphère métallique recouverte de 303 réflecteurs, sans électronique intégrée ni commandes de navigation. Sa conception en forme de boule à facettes est similaire à celle de son prédécesseur LARES, une autre expérience de relativité générale lancée en 2012, et d’une sonde appelée LAGEOS déployée par la NASA dans les années 1970 principalement pour étudier la gravité du sol. (Les Lares, prononcés LAY-reez, étaient des dieux dans la religion païenne de la Rome antique.)

LARES-2 emballe environ 295 kilogrammes de matériau dans une sphère d’un diamètre inférieur à 50 centimètres. La densité minimise les effets de phénomènes tels que la pression de rayonnement de la lumière du soleil ou la faible résistance de l’atmosphère terrestre à haute altitude, explique l’ingénieur aérospatial Antonio Paolozzi de l’Université La Sapienza à Rome. Après avoir expérimenté des matériaux haute densité personnalisés, l’équipe a choisi un alliage de nickel prêt à l’emploi. Cela avait une densité acceptable et a permis à LARES-2 de se qualifier pour le vol des filles Vega C sans tests de certification de vol coûteux.

Ciufolini et ses collègues prévoient de suivre l’orbite de LARES-2 pendant plusieurs années en utilisant un réseau mondial existant de stations distantes laser. Ce type de sonde peut continuer à fournir des données pendant des décennies. “Vous pouvez simplement vous asseoir et envoyer des rayons laser dessus”, explique Will. “En termes de coût, c’est une bonne chose à faire, bon marché.”

Selon la gravité newtonienne, un objet en orbite autour d’une planète parfaitement sphérique devrait continuer à suivre la même ellipse éon après éon. Mais en 1913, Albert Einstein et sa collaboratrice Michele Besso ont utilisé une version préliminaire de la relativité générale pour suggérer que si une telle planète tournait, l’orbite du satellite se décalerait légèrement. Les mathématiques précises de l’effet ont été calculées en 1918 par les physiciens autrichiens Josef Lense et Hans Thirring. Les calculs modernes prédisent que l’effet Lense-Thirring, une sorte de ” traînée de cadre ” relativiste, devrait faire dériver ou tourner le plan de l’orbite autour de l’axe de la Terre à 8,6 millionièmes de degré par an.

En pratique, la Terre elle-même n’est pas une sphère parfaite, mais “en forme de pomme de terre”, explique Ciufolini. Les irrégularités qui en résultent dans le champ gravitationnel de la Terre – les choses mêmes que LAGEOS est conçu pour mesurer – ajoutent une précession orbitale supplémentaire qui peut rendre l’effet relativiste plus difficile à mesurer. Mais en comparant les orbites de deux satellites, ces irrégularités peuvent être éliminées.

Lancement du lanceur CSG Vega-C VV21

LARES-2 a été lancé le 13 juillet à bord d’une fusée Vega C.Crédit : CNES/ESA/Arianespace/Optique Vidéo CSG/S. Martin

Ciufolini, qui a travaillé sur le concept de mission LARES depuis sa thèse en 1984, a appliqué ce principe pour la première fois en 20041 pour mesurer la traînée de trame à partir d’une comparaison des orbites LAGEOS et LAGEOS-2 (une sonde similaire lancée par ASI). Lui et son collaborateur Erricos Pavlis, de l’Université du Maryland à College Park, ont affirmé avoir déterminé l’effet avec une précision de 10 %.

Alors que le résultat était encore approximatif, l’équipe a réussi à décrocher une expérience de 800 millions de dollars de la NASA qui visait à mesurer la traînée du cadre en utilisant une technique différente. Lancée en 2004, la mission très complexe Gravity Probe B a mesuré les changements non pas dans la trajectoire du vaisseau spatial, mais dans l’inclinaison de quatre sphères en rotation, qui se déplacent d’une petite fraction de degré par an. En raison de complications imprévues, Gravity Probe B n’a pu atteindre qu’une précision de 20%, loin de l’objectif initial de 1%2.

Restrictions de lancement

Ciufolini et son équipe ont ensuite amélioré leur précédent résultat à une précision de 2% avec LARES, la première sonde conçue explicitement pour ce type d’expérience.3. Mais les limites du lanceur – l’ancienne fusée Vega – signifiaient que LARES ne pouvait atteindre qu’une altitude de 1450 km. LARES-2 est maintenant à 5900 km plus optimal, où les irrégularités du champ gravitationnel de la Terre sont atténuées, mais l’effet de traînée de trame est toujours fort.

La mission vise une précision de 0,2%, et l’injection orbitale précise devrait placer cette cible bien à portée, dit Ciufolini. Cela pourrait permettre à l’équipe de déterminer si la relativité générale l’emporte sur les théories alternatives pour l’espace-temps, ajoute-t-il.

Thibault Damour, physicien théoricien à l’Institut des hautes études scientifiques (IHES) près de Paris, vante le faible coût de l’expérience. “Si on trouve une déviation” [from the theoretical prediction] ce serait un résultat important », déclare Damour. Mais il ajoute qu’il y a eu des tests plus rigoureux de la relativité générale dans l’espace. La mission Cassini de la NASA vers Saturne a mesuré un autre effet de la théorie avec une précision de près d’un sur 10 0004.

Bien que faibles autour de la Terre, les effets de la traînée de trame deviennent gigantesques lorsque deux trous noirs s’enroulent l’un dans l’autre et fusionnent. Les observatoires d’ondes gravitationnelles ont peut-être déjà commencé à détecter de tels effets dans les orbites finales de certaines paires de trous noirs : à partir de la forme des ondes, ils peuvent calculer à quelle vitesse le trou noir le plus léger avançait et à quelle vitesse le trou noir le plus lourd tournait. Avec la détection des ondes gravitationnelles, comprendre le dessin de cadre “est devenu fondamental pour l’astrophysique”, explique Ciufolini.

Leave a Reply

Your email address will not be published.