LA RELATIVITE GENERALE ET LE TEST DU PRINCIPE D'EQUIVALENCE (PE)

Microscope est un projet de microsatellite du CNES issus de la filière Myriade, mené avec l'ONERA et l'Observatoire de la Côte d'Azur en coopération avec l'Agence Spatiale Européenne. L'objectif principal est scientifique et vise à tester le principe d'équivalence avec une résolution de 10^-15, c'est-à-dire presque trois ordres de grandeur de mieux que les meilleurs tests effectués sur Terre. Mais cette mission apportera également l'occasion de qualifier les technologies nécessaires à la réalisation d'un satellite à traînée compensée, indispensable à l'expérience scientifique.
Le Principe d'Equivalence, c'est-à-dire essentiellement l'égalité des masses "inerte" et "grave", puis l'identité des lois de la physique dans des repères soumis à un champ d'accélération d'une part, ou de gravité d'autre part, est l'un des principes fondateurs de la relativité générale. Si les observations, effectuées jusqu'à présent, des prédictions de cette théorie classique se sont montrées toujours conformes, l'unification avec les autres interactions, considérées elles dans le cadre de la théorie quantique et du modèle standard, présente des difficultés toutes particulières.
Le principe de l'expérience Microscope est fondé sur la chute libre en orbite autour de la Terre de deux corps de composition différente. Ces deux masses sont protégées des perturbations non-gravitationnelles par le satellite qui les entoure.

L'instrument Microscope est composé de deux accéléromètres
SAGE (Space Accelerometer for Gravitation Experiment)
comprenant chacun deux senseurs inertiels électrostatiques
concentriques et centrés. En haut à droite, la photo présente
les pièces en silice déjà réalisées pour le
prototype de l'instrument.

Un signal validé de violation du PE, détecté par la mission Microscope, conduirait à bouleverser notre vision de la gravitation et nécessiterait donc de poursuivre au plus vite la découverte du domaine exploré, afin de préciser dans quelles conditions cette violation apparaît. Par contre, la confirmation du principe d'équivalence avec une précision de 10^-15 repousserait plus loin les interrogations actuelles sur les théories de la gravitation. Il serait alors nécessaire de considérer des expériences de précision encore plus grande, exploitant l'acquis de Microscope.

LES LIENS ELECTROMAGNETIQUES ET LEURS APPLICATIONS AUX TRANSFERT DE TEMPS, A LA NAVIGATION ET AUX TESTS DE LA RELATIVITE

T2L2 (Transfert de Temps Lien Laser)

Le projet T2L2 (Transfert de Temps Lien Laser) est une expérience de transfert de temps à très haute précision développée par le CNES et l'OCA (Observatoire de la Côte d'Azur), qui permettra d'améliorer la stabilité du transfert de temps par rapport aux expériences actuelles.
T2L2 permet la synchronisation entre plusieurs horloges atomiques terrestres éloignées et la synchronisation entre l'horloge à bord d'un satellite et les horloges terrestres.
L'horloge terrestre et l'horloge spatiale à synchroniser sont respectivement liées à une station de télémétrie laser et à une instrumentation spatiale embarquée. Pour une impulsion laser donnée émise par l'une des stations, on enregistre 3 dates qui sont :

date de départ
date de retour à la station laser
date d'arrivée à bord du satellite

A partir de ces 3 dates, on déduit le décalage entre l'horloge de la station et l'horloge du satellite. C'est un Transfert de Temps Sol - Espace.
En opérant avec plusieurs stations laser, on réalise un Transfert de Temps Sol - Sol.
T2L2 a été proposé pour être embarqué à bord de la mission Jason-2 en 2008. Ce projet est actuellement développé par le CNES et l'OCA.
L'application à la navigation interplanétaire est plus que séduisante et ces liens seront largement mis à profit dans des missions scientifiques futures plus ambitieuses telles que TIPO, OPTIS, et LATOR aux multiples objectifs de tests de la relativité.

LES ATOMES FROIDS ET LEURS APPLICATIONS (AUX TESTS D'EFFETS RELATIVISTES)

L'atome comme appareil de mesure

Depuis une vingtaine d'années, le développement des techniques de manipulation d'atomes par lasers permet d'accéder de plus en plus facilement à la nature ondulatoire des atomes, et apporte tout un panel de composants applicables à ces ondes atomiques. On sait maintenant réaliser des miroirs, des lames séparatrices, des réseaux de diffraction, des lentilles et toutes sortes d'autres composants permettant de développer une réelle optique atomique.
Contrairement aux photons, les atomes, de part leur structure complexe, interagissent énormément avec leur environnement. Bien que neutre électriquement, les atomes possèdent des moments dipolaires électrique et magnétique, les rendant sensibles aux champs électriques et magnétiques extérieurs.
Les atomes possèdent également une masse qui leur permet d'interagir avec le champ gravitationnel, comme n'importe quel autre corps massif. Leur vitesse d'agitation thermique élevée (plusieurs centaines de mètres voire plusieurs kilomètres par seconde) rend généralement imperceptible cette interaction. Mais on sait maintenant ralentir les atomes, grâce à des faisceaux laser, jusqu'à des vitesses de quelques mm.s^-1, rendant ainsi l'interaction avec le champ de gravitation tout à fait observable. Leur masse rend les atomes également sensibles aux champs d'inertie (force de Coriolis, force centrifuge) qui apparaissent dans les référentiels non galiléens.
Avec ces multiples interactions possibles, l'atome apparaît donc comme un outil idéal pour sonder l'environnement extérieur. A la fois magnétomètre, balance, horloge, ... quelle que soit la grandeur physique que vous souhaitez déterminer, l'atome possède une propriété qui vous permettra de la mesurer. Le fait de pouvoir accéder à la nature ondulatoire de l'atome permet alors d'imaginer des techniques de mesures interférométriques (mettant en jeu la phase atomique), améliorant ainsi énormément la sensibilité de la mesure. L'interférométrie atomique est rendue possible grâce aux nombreux composants atomiques évoqués précédemment. On sait maintenant réaliser des interféromètres à atomes équivalents à des interféromètres de Michelson, de Mac-Zehnder, de Fabry-Perot, et de bien d'autres encore. Ces dispositifs ont déjà permis de mesurer un certain nombre de grandeurs physiques avec une extrême précision.

La mesure des fréquences
La première de ces grandeurs a bien sûr été la fréquence, qui a pu être mesurée si finement grâce aux horloges atomiques, que l'atome est passé du statut de chronomètre à celui d'étalon de temps. En effet, en 1967, la 13^ème Conférence Internationale des Poids et Mesures a décidé de changer la définition de la seconde. Ce n'est plus la Terre, mais l'atome qui décide de l'heure qu'il est. Cette nouvelle définition repose sur des horloges stables et exactes à quelques 10^-15, c'est à dire se décalant d'une seconde en 30 millions d'années ! ! !
On pourrait se demander à quoi sert une telle précision, et pourtant les industriels sont déjà demandeurs d'horloges à 10^-11 pour la synchronisation des réseaux de télécommunications à hauts débits, et à 10^-12 pour le nouveau système européen de navigation par satellite GALILEO. La mise en orbite de l'horloge spatiale à atomes froids PHARAO permettra de comparer, grâce à des liens micro-ondes, les horloges du monde entier avec une précision de 10^-16. Aujourd'hui, les meilleurs étalons de temps sont des fontaines atomiques utilisant des atomes refroidis par laser. Leur stabilité de fréquence atteint 2.10^-16 pour une durée de mesure de 40000 secondes.
L'environnement de micropesanteur accessible dans l'espace permet d'augmenter la durée d'interaction des atomes dans la cavité micro-ondes, et ainsi d'améliorer la résolution d'un facteur dix. On attend aussi une excellente exactitude pour ces nouvelles horloges atomiques. Ces progrès permettent de réaliser de nouveaux tests de relativité restreinte et générale ou de physique fondamentale. Ils ouvrent aussi la voie à la réalisation des senseurs inertiels fondés sur l'interférométrie atomique.

L'horloge à atomes froids PHARAO/ACES
PHARAO (Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) est un Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite, développé par le CNES avec le laboratoire Kastler-Brossel (LKB) et le laboratoire Systèmes de Références Temps-Espace (SYRTE) de l'Observatoire de Paris. Le modèle d'ingénierie complet de l'horloge PHARAO a été livré au CNES à Toulouse en 2006 et fonctionne de façon satisfaisante (voir l'article e-space&science du CNES).
Le projet a débuté en 1997 lorsque la proposition d'horloge PHARAO a été sélectionnée par l'ESA dans le cadre du projet ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) prévu pour être installé en 2014 sur une plateforme externe de la Station Spatiale Internationale (ISS) pointant au Nadir, pour une durée de 18 mois à 3 ans.
Outre l'horloge PHARAO fournie par la France, le projet ACES comprend un maser à hydrogène fourni par la Suisse. Les fréquences de ces deux horloges seront comparées entre elles, ainsi qu'à celles d'horloges de différents types réparties en différents points du globe.
Les objectifs de PHARAO/ACES sont à la fois technologiques -fonctionnement de l'horloge avec des performances de stabilité et d'exactitude ultimes, comparaisons de temps entre horloges distantes au niveau de quelques picosecondes (10^-12 secondes)- et scientifiques - tests de la relativité par la mesure du décalage gravitationnel vers le rouge, recherche d'une éventuelle dérive en fonction du temps de la constante de structure fine et recherche d'une éventuelle anisotropie de la propagation de la lumière. La stabilité de fréquence de l'horloge PHARAO devrait atteindre 10^-16 sur quelques jours. Ceci permettra de disposer d'une référence primaire de temps ultra-stable avec une couverture mondiale : les comparaisons entre horloges pourront s'effectuer au niveau de la dizaine de picosecondes, soit environ deux ordres de grandeur au-delà des performances actuelles des systèmes GPS et GLONASS. L'effet Einstein de décalage vers le rouge pourra être vérifié avec un gain d'un facteur 30 et une éventuelle anisotropie de la vitesse de la lumière testée avec un gain d'un facteur 10. En termes de dérive en fonction du temps de la constante de structure fine, le niveau de 10^-16 par année est visé. La réalisation du modèle de vol de l'horloge PHARAO et de l'ensemble ACES devra faire l'objet d'une nouvelle décision.

Horloge atomique PHARAO

Prospective sur les horloges à atomes froids
Les horloges atomiques ont considérablement bénéficié depuis le début des années 90 du développement des techniques de manipulation d'atomes par laser. Les horloges utilisant des transitions micro-ondes atteindront 10^-16 (mission PHARAO/ACES). De nouveaux types d'horloges, utilisant des transitions dans le domaine optique, permettraient encore de gagner quelques ordres à moyen terme. Un certain nombre de tests de physique fondamentale exploitant la précision et la stabilité de telles horloges pourraient alors être envisagés.

LES SENSEURS INERTIELS A ATOMES FROIDS

L'interférométrie à atomes froids a suscité ces dernières années un intérêt tout particulier pour son application aux capteurs inertiels. En effet, ces nouveaux capteurs permettent une très bonne connaissance à priori du facteur d'échelle et aboutissent à une très bonne exactitude des appareils.
De plus, le fonctionnement de ces capteurs repose sur des principes physiques fondamentaux :la mécanique quantique et, notamment, l'interaction atome/lumière. Cette "originalité" permet une compréhension très fine de leur fonctionnement, justifiant ainsi l'utilisation de ce type de capteurs dans la définition des grandeurs de référence (horloges atomiques et balance du Watt). Ces qualités sont non moins primordiales pour les tests de physique fondamentale, notamment pour atteindre les niveaux de performance ultimes que requièrent les tests de la relativité générale. Néanmoins, l'utilisation de capteurs inertiels à atomes froids souffre d'une sévère limitation : la gravité. Cette accélération, bien qu'elle puisse être utilisée à bon escient dans des configurations similaires aux horloges en fontaine, limite le temps d'interrogation et donc directement la sensibilité de ces appareils. Leur utilisation dans l'espace permet de bénéficier de l'environnement 0-g et d'augmenter ainsi de plusieurs ordres de grandeur leur sensibilité. Ainsi, la sensibilité d'un accéléromètre croît comme le carré du temps d'interaction. On passe alors d'une durée typique de 100 ms sur Terre à plusieurs secondes, voire plusieurs dizaines de secondes. Pour ces temps d'interrogation conséquents, une autre limite peut apparaître. Par exemple, des atomes froids (de l'ordre de 1 µK) s'étalent sur presque 10 cm après quelques secondes d'interrogation. L'exploitation du formidable potentiel de ces capteurs dans l'espace, demandant alors les temps d'interrogation maximaux, repose donc sur l'utilisation non plus d'atomes froids mais d'atomes ultra-froids comme les condensats de Bose-Einstein ou les lasers à atomes.
Les capteurs inertiels sont les appareils permettant de mettre en évidence le caractère inertiel ou non, des repères auxquels ils sont liés. Il s'agit donc essentiellement des gyromètres et des accéléromètres, et par extension des gravimètres et des gradiomètres. Depuis une quinzaine d'années, de nombreux capteurs inertiels atomiques sont réalisés ou en cours de développement à travers le monde. Plusieurs équipes françaises mènent des travaux de pointe dans ce domaine, en liaison avec les études de recherche et développement du CNES.

Gravimètres et gradiomètres atomiques
Le phase induite par le champ de pesanteur sur l'onde atomique varie très rapidement avec la valeur de ce champ. Cette phase peut être mesurée très précisément grâce à un interféromètre atomique de type Mach-Zehnder temporel par exemple. On accède ainsi à une mesure de g (potentiel terrestre, ou tout autre potentiel gravitationnel) extrêmement précise. Les dernières expériences réalisées révèlent une très grande sensibilité, correspondant typiquement à la variation du champ de pesanteur au sol sur une hauteur de l'ordre du centimètre.

Gyromètres atomiques
L'effet Sagnac, appliqué aux ondes lumineuses est le principe physique à la base de tous les gyromètres optiques. On peut montrer que ce principe, lorsqu'il est appliqué aux ondes atomiques, produit à "aire d'interféromètre" égale un effet intrinsèquement cent milliards de fois plus sensible que dans le cas optique !!! On comprend donc l'intérêt que peut présenter le développement de tels capteurs inertiels utilisant des ondes atomiques.
Si l'on effectue la mesure sur une durée longue (dans l'espace par exemple), le bruit lié à la mesure se moyenne lentement et la sensibilité de l'appareil pourrait encore être améliorée.

Le gyromètre à atomes froids du SYRTE

Accélérométrie atomique ; le prototype de laboratoire ICE
Le projet, initié en 2002, est une collaboration entre le Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'optique (LCFIO), le SYRTE et l'ONERA et le CNES.
A terme le projet ICE (Interférométrie Cohérente dans l'Espace), aujourd'hui au stade de la recherche et développement, a pour but de développer un nouveau type d'interféromètre à ondes de matière dont la source atomique (cohérente) est un condensat de Bose-Einstein. L'utilisation de cette source permet par exemple de lire en direct le déphasage induit par le recul d'un photon par diffraction d'un faisceau laser sonde sur le réseau de matière créé par les différents condensats qui interfèrent. Une analyse temporelle de la figure d'interférence, permet de déterminer directement le déphasage, contrairement aux dispositifs "classiques" comme les horloges où un échantillonnage de la figure d'interférence est nécessaire.

Les premiers test du dispositif I.C.E., dont l'objectif est d'étudier les mesures d'accélération très précises en micropesanteur à l'aide d'un interféromètre atomique, ont permis de piéger et de refroidir des atomes en microgravité, pour la deuxième fois après les premières expériences réalisées lors de l'étude de PHARAO (Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite). La campagne de vol sur l'airbus 0-g de la société Novespace, réalisés du 27 au 29 mars 2007, a permis de valider l'utilisation de nouvelles technologies de piégeages utilisant les technologies télécom. Pendant trois jours, l'équipe de cette campagne, composée de chercheurs de l'Institut d'Optique, de l'ONERA, du SYRTE-LNE et du CNES a pu observer et étudier le refroidissement et la manipulation d'atomes dans un dispositif qui, à terme, permettra de mesurer très précisément l'accélération à l'aide d'un accéléromètre à source atomiques cohérente (laser à atomes). L'objectif est de comparer, au sein de l'airbus en vol parabolique, les accélérations subies par ces atomes à celles subies par des accéléromètres classiques. Il ne permettra en aucun cas de tester la complémentarité court/long terme de ces différents senseurs. Il serait pour cela nécessaire d'envisager une mission spatiale dans laquelle les deux interféromètres seront embarqués.

Ce projet pourrait permettre d'aboutir à la conception d'une source cohérente d'atomes (condensat de Bose-Einstein ou laser à atomes) spatialisable certainement indispensable pour les expériences d'interférométrie atomique dans l'espace. De plus, l'apparition récente de dispositifs compacts (en particulier les "puces atomiques") pourrait permettre d'envisager l'intégration de tels dispositifs dans des microsatellites ou des minisatellites. Dans une configuration de mission future, il pourrait aussi embarquer un système de repérage de la position du satellite permettant une comparaison entre les mesures "locales" de la trajectoire et les mesures effectuées de la terre. Embarqué sur une mission lointaine (supérieure ou égale à la distance Terre-Mars), un tel dispositif permettrait de résoudre les anomalies potentielles qu'implique une mesure "à distance" de la position du satellite.
La très bonne stabilité long-terme des accéléromètres atomique permet d'alterner sans problèmes des phases de mesures inertielles avec des phases pendant lesquelles l'interféromètre atomique est utilisé pour une étude plus fondamentale. On pourrait ainsi, dans un premier temps, effectuer une vérification du potentiel de ces senseurs en mesurant la constante de structure fine . Cette détermination repose sur la mesure de la vitesse (ou de l'énergie) de recul d'un atome de masse M lors de l'absorption d'un photon d'impulsion donnée. Cette mesure donne alors accès à la constante fondamentale . L'utilisation d'une source cohérente en micropesanteur permettra d'améliorer la connaissance de cette constante fondamentale.
Une autre opportunité intéressante apparaît avec la possibilité de réaliser une source atomique "double espèce" d'atomes de Rubidium et de Potassium sans pour autant doubler la complexité du système laser. On pourrait alors obtenir une comparaison directe entre l'accélération subie par deux espèces atomiques différentes et ainsi tester le principe d'équivalence à l'échelle microscopique. Le prototype en développement devrait permettre des premières mesures de ce type lors d'une potentielle campagne microgravité. La précision du test devrait être de l'ordre de 10^-10.

vue d'artiste de l'expérience ICE, avec uniquement les éléments lourds		vue d'artiste de l'expérience ICE ; en plus des éléments lourds de l'expérience, on distingue en rouge le trajets des faisceaux MOT (Magneto-Optic Trap = Piège Magnéto Optique) 3D, émergents du bread board au dessus du cube. En jaune, on a désigné les faisceaux de la pince optique. Pour chaque type de faisceau sont représentés les supports et éléments optiques principaux

D'autres expériences sont en cours de développement.

DETECTION DES ONDES GRAVITATIONNELLES

Le projet spatial LISA vise à détecter des ondes gravitationnelles dans un domaine de fréquences de l'ordre de 0,1 à 100 mHz à comparer au domaine 10 Hz - 10 kHz couvert par les interféromètres terrestres. En effet, il est très difficile d'étendre la sensibilité des interféromètres terrestres vers les basses fréquences (inférieures à 1 Hz) en raison du bruit sismique, des gradients dynamiques de gravité et de la limite de dimension des terrains disponibles. L'idée d'installer dans l'espace un interféromètre gravitationnel de très grande dimension a donné lieu à proposition du projet spatial LISA dont le lancement n'est pas prévu avant 2018.
Le principe de base consiste à établir entre des satellites très distants des liens optiques tels que la phase reçue soit en permanence mesurée par comparaison avec un oscillateur local. LISA comprend trois satellites contenant chacun deux masses inertielles associées à deux télescopes. Ces satellites sont disposés aux sommets d'un triangle équilatéral de 5 millions de km de côté. Ils sont en orbite héliocentrique de rayon 1 UA, suivant la Terre avec un retard de 20 jours. La navigation des satellites se fait dans un mode à traînée compensée (compensation des forces non gravitationnelles). Leur mouvement est asservi sur des masses définissant la référence optique pour l'une des extrémités d'un trajet optique. Ces trajets sont définis par des bancs laser néodyme de deux watts environ pour chaque faisceau, et des télescopes de 38 cm d'ouverture. La comparaison des trajets optiques entre les satellites est effectuée avec une précision de l'ordre de 10^-12 m/Hz^½.

Les équipes scientifiques participant aux études de définition de la mission et à la simulation des données se sont regroupées autour d'un groupement intitulé LISA-France (collaboration APC Paris, ARTEMIS Observatoire de la Côte d'Azur, IAP Paris, LAPP Annecy-le-Vieux, LUTH Observatoire de Paris-Meudon, SYRTE Observatoire de Paris-Meudon, ONERA/DMPh...)

La mission LISA-Pathfinder
La réalisation du projet LISA nécessite des développements technologiques ardus, notamment dans le domaine des lasers ultra-stables, des télescopes, des accéléromètres, des micropropulseurs et de la compensation de traînée. Elle nécessite aussi la maîtrise du vol en formation. L'ESA a prévu une phase intermédiaire avec le vol du démonstrateur technologique LISA-Pathfinder.
L'élément clé qu'il s'agit de valider est le système de pilotage à traînée compensée, avec une performance attendue de 10^-14 ms-²/Hz, soit un ordre de grandeur de moins que LISA. Il se compose des éléments suivants :

le "LISA Technological Package" (LTP) ;
un système de contrôle d'attitude à compensation de traînée (drag-free) ;
des micropropulseurs ioniques à poussée continue, FEEPs (pour Field Emission Electric Propulsion), servant d'actionneurs pour maintenir le satellite centré autour d'un point de référence en chute libre.

Le LTP est un modèle réduit d'un bras de l'interféromètre LISA (la distance entre deux masses d'épreuve diminuant de 5 millions de km à 20 cm), avec une précision de mesure au picomètre. Comme dans LISA, les masses d'épreuve ont une double fonction : elles servent de référence optique (miroirs) pour l'interféromètre et de référence inertielle pour le système de contrôle drag-free du satellite.

Le LTP sera fourni sur la base d'un financement national des états membres. La France y participe, au travers du financement de l'unité de modulation (AOMU : Acousto-Optic Modulation Unit) de la source laser de l'interféromètre, avec le laboratoire Astro Particule de Cosmologie APC du CNRS-IN2P3.
LISA-Pathfinder sera lancé en 2010 par un petit lanceur européen sur une orbite de transfert géostationnaire et utilisera son propre module de propulsion pour atteindre son orbite opérationnelle autour du point de Lagrange L₁.

Tous ces instruments spatiaux en cours de développement, horloges à atomes froids, senseurs inertiels, interféromètres, liens optiques et micro-onde, serviront de briques de base aux futures missions qui seront proposées dans le cadre de l'appel "cosmic vision" de l'ESA notamment pour tester la gravitation à grande distance.