Zoom in the Lab

13 - Einstein et l'accéléromètre

copyright © CNES 2003Quel est l'instrument capable de mesurer des données pour la climatologie, d'analyser les forces que subit un satellite en orbite et de tester les théories de la relativité d'Einstein ? C'est l'accéléromètre, un outil développé depuis plus de vingt ans, et qui atteint aujourd'hui des précisions incroyables.

L'an prochain, nous célèbrerons le centenaire des théories de la relativité d'Albert Einstein qui ont révolutionné la physique du vingtième siècle. Et pourtant, cent ans après, nous continuons à tester la validité de ses principes, afin de dénicher, peut-être, des failles dans ses théories. La base de la relativité est le principe d'équivalence, qui postule que la masse inertielle (celle-ci mesure l'inertie d'un corps, c'est-à-dire sa résistance au mouvement) et la masse gravitationnelle (qui subit la gravité, notamment celle de la Terre) sont les mêmes. Pour l'instant, la réponse est oui : les meilleures expériences ont vérifié le principe d'équivalence avec une précision de un pour mille milliards. Mais c'est encore insuffisant, car certaines théories actuelles envisagent de nouvelles interactions très faibles, dont l'effet ne serait détectable que très difficilement. C'est pourquoi les accéléromètres, qui mesurent l'accélération d'un corps en mouvement, doivent encore gagner en précision, et des scientifiques de l'Onera s'y emploient.

Accéléromètres SAGE utilisés pour MICROSCOPE

L'accéléromètre est composé d'une " masse d'épreuve ", un objet dont la masse et la forme sont précisément connues, que l'on fait léviter dans une cage en céramique en lui appliquant des forces électrostatiques. Cette cage est à quelques dizaines voire à quelques centaines de micromètres de la masse. Chaque accélération, qu'elle soit due à la gravité ou au mouvement de l'instrument, tend à faire bouger la masse d'épreuve à l'intérieur de la cage. En mesurant les forces électrostatiques nécessaires pour la maintenir immobile en lévitation, on en déduit l'accélération subie avec une précision d'un milliardième de fois la gravité terrestre, voire bien mieux. " De tels instruments ne peuvent pas être utilisés sur Terre et sont destinés à des mesures dans l'espace ", explique Pierre Touboul, directeur du département Mesures physiques de l'Onera.

L'un d'eux a été embarqué sur le satellite Champ en 2000, afin de mesurer avec une grande précision les forces que subit ce satellite, telle la traînée aérodynamique (due au peu d'air qui reste à de telles altitudes), la pression de radiation solaire (due au rayonnement du soleil) ou terrestre (due à la réflexion du rayonnement solaire par la Terre ou au rayonnement infrarouge). D'autres, dix à cent fois plus précis, ont été lancés avec les deux satellite Grace en mars 2002. Leur mission est de mesurer les variations saisonnières du champ de gravité terrestre. En effet, ce dernier dépend de la quantité d'eau dans les sols. Il est donc possible d'analyser les variations des bassins hydrographiques à l'aide d'accéléromètres situés en orbite. Couplé à la mesure de la hauteur des océans par radioaltimètre, l'accéléromètre permet aussi d'étudier la salinité des océans et la variation des courants marins. La température et le sel marin modifient la densité de l'eau, donc le champ de gravité. La détection des variations du champ de gravité permet d'analyser les différentes salinités et températures de l'eau, et ainsi d'étudier les courants océaniques. Une mission encore plus précise nommée Goce, emportant des accéléromètres capables de mesurer des millionièmes de millionièmes de la gravité terrestre, est prévue pour 2006. L'Onera doit fournir les capteurs sensibles du gradiomètre fin 2005.

Masse d'épreuve en titane pour MICROSCOPE
réalisée par le PTB
(Physikalisch-Technische Bundesanstalt)

Enfin, la mission la plus ambitieuse concerne la vérification du principe d'équivalence d'Einstein. Microscope - c'est son nom - est un projet du Centre national d 'études spatiales (Cnes), prévu pour mars 2008. " Microscope doit vérifier le principe d'équivalence avec une précision mille fois supérieure à ce qui existe aujourd'hui ", explique Pierre Touboul, dirigeant scientifique du projet. Pour cela, le satellite devra emporter deux accéléromètres possédant chacun deux masses d'épreuve emboîtées l'une dans l'autre. Le premier contient des masses en titane et platine, tandis que le second comprend uniquement des masses en platine et permettra de vérifier l'absence de signal parasite. Dans le premier accéléromètre, les masses de platine et de titane subiront le même champ de gravité. Si elles réagissent différemment, cela signifie que le principe d'équivalence est violé. L'extrême précision de ces instruments nécessite des précautions draconiennes : stabilité thermique de l'accéléromètre au millikelvin près, élimination des vibrations parasites, blindage magnétique, présence de propulseurs électriques permettant de compenser les forces de surface du satellite. Le mouvement des masses doit être détecté avec une résolution correspondant au dixième du rayon du noyau d'un atome.

Vue d'une pièce en silice dorée en cours de fabrication pour l'accéléromètre SAGE
(Video : .avi - 900 ko)