Mesures physiques

Accélérométrie ultra-sensible et projets spatiaux
Physique fondamentale

Les missions concernent principalement le test du Principe d'équivalence, l'observation précise d'effets post-newtonien, ou plus généralement une meilleure compréhension des lois les plus fondamentales de la physique.

Le projet MicroSCOPE
MicroSatellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence

Le projet MicroSCOPE est un projet phare du département.

Tirant parti de son expérience dans le domaine des accéléromètres électrostatiques, l’Onera a proposé au Cnes, en collaboration avec l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA), une expérience de test du Principe d'Equivalence avec une précision de 10^-15. La mission Microscope consiste en la mesure de la différence d’accélération entre deux corps lors d’une chute libre en micropesanteur, à bord d’un microsatellite.

Cette expérience nécessite l'emploi d'accéléromètres différentiels électrostatiques présentant une résolution de 10^-12 ms^-2/Hz^1/2 dans l'environnement très stable d'un microsatellite à traînée compensée. L'activité de l'Onera concerne la fourniture de la charge utile du satellite (l’accéléromètre SAGE) et la mise en place du centre de mission scientifique nécessaire au traitement des mesures.

Pour plus de détails, nous vous invitons à vous rendre sur le site dédié de l’Onera, ou sur celui du Cnes.

Coeur mécanique de l’instrument Microscope : deux masses de test à l’intérieur d’un assemblage de tubes de silice enrobés d’or.

Le Projet ODYSSEY

Dans le cadre de l’appel d’Offre ‘Cosmic Vision’ de l’Esa en 2007, l’Onera a proposé, en collaboration de plusieurs laboratoires scientifiques internationaux, une mission interplanétaire, la mission Solar System Odyssey, qui relève le défi d'effectuer des tests de la loi de gravitation dans le système solaire jusqu'à des distances de 13 AU en utilisant des technologies matures.

Il s’agit de vérifier que la sonde parcourt sa trajectoire selon les lois de la relativité générale. Pour cela, deux informations primordiales sont fusionnées:

• des mesures de vitesse Doppler et de distance entre la sonde et la Terre, grâce à l’instrument de Radio-Science ;
• des mesures des accélérations non gravitationnelles appliquées à la sonde (à l’aide d’un accéléromètre embarqué en son centre).
  

Le premier objectif scientifique de la mission est de vérifier la loi de gravité à l’échelle du système solaire lors de la phase de croisière de la sonde. La gravitation influe à la fois sur le mouvement du centre de gravité de la sonde, et sur le trajet du signal radioélectrique entre la sonde et les stations terrestres. Le seul test équivalent jamais réalisé par une sonde interplanétaire eu lieu avec les sondes Pioneer 10 et 11, une fois atteints leurs objectifs planétaires. Malheureusement, le test n’a pas été concluant du fait de l’anomalie Pioneer, qui peut être vue comme une accélération anormale dirigée vers le Soleil, dont l’origine est inconnue à ce jour. Dans Odyssey, l’accéléromètre permettra d’avoir une connaissance précise des forces non gravitationnelles qui s’exercent sur la sonde, et donc d’éviter toute incertitude sur les résultats obtenus. Même un résultat « négatif », c’est-à-dire venant confirmer la loi de gravité aux échelles interplanétaires, est important pour la physique du système solaire et l'astrophysique dont les modèles utilisent cette loi de gravitation.

Les autres objectifs de cette mission sont l'analyse des anomalies de vitesses (flyby anomaly), rencontrées lors des phases de rebond gravitationnel, et la mesure avec un lien optique du paramètre gamma d’Eddington lors des conjonctions solaires.

La distance maximale visée, de 13 UA pourra être portée jusqu’à 50 AU avec l’option d’emporter une radiobalise pour atteindre les régions extrêmes du système solaire, ce qui permettrait d’aborder l’étude de la ceinture de Kuiper.

Schéma du satellite de la mission ODYSSEY avec ses principaux éléments.

L'expérience GAP
Gravity Advanced Package

L’objectif de cette expérience est de remplir certains des objectifs de la mission ODYSSEY sans attendre une mission dédiée. La charge utile serait embarquée à bord de la sonde interplanétaire JGO dans le cadre d’une mission ayant pour objectif Jupiter et présélectionnée par l’Esa dans le cadre de Cosmic Vision.

L’instrument est constitué d’un accéléromètre électrostatique et est associé aux mesures dites de Radio-Science (mesures Doppler et de distance), présente dans toutes les sondes récentes. Cette technologie de « navigation hybride » existe dorénavant dans toutes les missions planétaires et tire profit de l’association des deux types de données, venant respectivement de la radionavigation et du senseur inertiel, pour séparer les forces gravitationnelles et non gravitationnelles exercées sur la sonde.

Les objectifs sont les mêmes que pour la mission ODYSSEY, mais à une échelle spatiale réduite (jusqu’à 5 UA). Le premier objectif est le test de la loi de gravitation, effectué pendant les phases de croisière de la sonde, tandis que le second objectif est d’analyser les anomalies de rebonds lors des assistances gravitationnelles.

Pour cette expérience, le département développe l’accéléromètre MicroStar (figure ci-dessous), qui correspond aux exigences d’embarquabilité pour une telle mission (poids inférieur à 1 kg et consommation inférieure à 1 W).
Il sera associé à un système, mis au point en parallèle, permettant de rejeter le biais continu des mesures accélérométriques grâce à un traitement de données approprié.
 

Vue éclatée de l’instrument MicroSTAR proposé pour l’expérience GAP

Au-delà de cette expérience, les travaux conduits permettent de préparer une charge utile générique susceptible d’être embarquée sur des missions très diverses, en particulier d’aider à l’aéronomie planétaire comme à l’étude des champs de gravité des planètes visitées.