Le système de navigation européen Galileo a maintenant une corde de plus à son arc, celle de plateforme de sciences fondamentales fournissant des données qui nous aideront à repousser les limites de la physique. RHEA joue un rôle de soutien essentiel au Navigation Science Office (NSO) de l’ESA.

À propos du bureau scientifique Galileo

Le multidisciplinaire NSO est une initiative conjointe entre la Direction de la navigation et la Direction des sciences de l’Agence spatiale européenne (ESA).

La principale raison d’être du NSO est de favoriser l’utilisation des données de Galileo dans le cadre d’activités scientifiques. Certaines applications correspondent à ce à quoi l’on pourrait s’attendre d’un système mondial de navigation par satellite : l’étude du mouvement des plaques tectoniques, la sismologie, l’étude de l’ionosphère, de même que l’établissement et la diffusion de nouvelles horloges et échelles de temps. D’autres sont en revanche plus exotiques : la relativité générale, la détection de la matière sombre et la détection de sursauts de rayons gamma.

ESTEC’s Galileo Payload Testbed Facility
Le banc d’essai des charges utiles Galileo de l’ESTEC, où les ingénieurs ont démonté un satellite Galileo entier pour réassembler sa charge utile de navigation sur un banc d’essai de laboratoire afin de le faire fonctionner comme s’il était en orbite.

Comment le système Galileo est-il devenu un outil de physique fondamentale?

Comment Galileo est-il passé d’un système avant tout pratique que nous utilisons tous au quotidien à un outil servant aux expériences en physique fondamentale?

La réponse repose dans la technologie lui permettant de fournir des données de localisation sur Terre d’une précision sans précédent : les horloges précises à bord des satellites Galileo.

Dans un système mondial de navigation par satellite, l’exactitude de localisation dépend de la précision avec laquelle nous pouvons mesurer le temps nécessaire à la lumière pour voyager des satellites à la Terre. Une mesure du temps d’une extrême précision est aussi essentielle aux expériences en physique fondamentale : souvenez-vous de tous les petits effets de relativité restreinte qui surgissent pour les observateurs se déplaçant très rapidement.

Les satellites Galileo sont équipés d’horloges atomiques à maser à hydrogène passif, lesquelles sont si précises qu’elles ne peuvent perdre ou gagner qu’une seule seconde en 2,7 millions d’années. À titre de comparaison, une montre numérique normale peut perdre ou gagner une seconde par période de 24 heures.

Les horloges atomiques revêtent de l’importance pour les scientifiques, car elles dépendent de la stabilité de la fréquence des transitions atomiques, lesquelles sont déterminées par la physique fondamentale. Un écart, même petit, entre les fréquences atomiques réelles dans les horloges atomiques réelles et les valeurs théoriques prédites peut indiquer que quelque chose cloche dans les théories physiques.

La principale réalisation de Galileo en physique fondamentale

Le NSO participe à de nombreux projets en physique fondamentale visant à tester la relativité générale.

Sa réalisation la plus remarquable à ce jour a été d’établir une nouvelle mesure du décalage gravitationnel. Il s’agit du décalage dans la fréquence de la lumière pour le rayonnement électromagnétique entre deux points à différents potentiels de gravité qui avait été prédit par le principe d’équivalence d’Einstein, l’un des fondements de la théorie de la relativité générale.

Comment mesure-t-on le décalage gravitationnel?

L’énergie d’un photon est déterminée par sa fréquence :

  • Un photon qui passe d’un lieu au potentiel de gravité plus élevé à un lieu au potentiel plus faible gagne en énergie et sa fréquence augmente, c’est-à-dire qu’elle est décalée vers l’extrémité bleue du spectre.
  • Un photon qui franchit un potentiel gravitationnel perd de l’énergie et sa fréquence est réduite, donc décalée vers l’extrémité rouge du spectre.

Pour mesurer cet effet, des horloges très précises sont requises, comme celles à bord des satellites Galileo. Dans une horloge atomique, le temps est mesuré en comptant les crêtes du rayonnement électromagnétique résultant d’une transition atomique bien définie. Si la fréquence de ce rayonnement est touchée par le décalage gravitationnel, la fréquence de l’horloge variera et nous verrons une perturbation dans le flux du temps mesuré par l’horloge.

Comment Galileo a-t-il permis de mesurer le décalage gravitationnel?

En 2014, un problème de lanceur a fait en sorte que deux satellites Galileo ont été placés sur une mauvaise orbite elliptique. En raison de la forme allongée de cette orbite, les horloges connaissent une variation d’altitude d’environ 8 000 km chaque fois qu’elles accomplissent une orbite autour de la Terre. Ainsi, même si ce n’était pas la mission prévue au départ, tous les ingrédients servant à mesurer le décalage gravitationnel étaient en place.

Le projet qui en a résulté, l’expérience GREAT (pour Galileo Gravitational Redshift Experiment with eccentric sATellites, ou expérience du décalage gravitationnel Galileo avec satellites excentriques), a été une réussite totale.

Deux équipes du SYRTE, en France, et du ZARM, le Centre de technologie spatiale appliquée et de microgravité à Brême, en Allemagne, ont analysé les données avec l’aide du NSO et du bureau de la navigation de Galileo au Centre européen d’opérations spatiales (ESOC) de l’ESA.

Les résultats obtenus ont permis d’apporter la première amélioration rapportée à l’une des plus anciennes mesures en matière de gravitation expérimentale, celle de la sonde Gravity Probe-A (GPA) équipée d’un maser à hydrogène, lancée en 1976 par le Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian. Encore plus impressionnant : les mesures datant de 40 ans ont pu être améliorées de près d’un ordre de grandeur. Il s’agit d’un résultat exceptionnel pour un système qui n’avait même pas été conçu pour tester la relativité générale!

Graphique de l'étude de cas Galileo montrant la comparaison entre le décalage temporel gravitationnel prédit et mesuré.
Figure 1 – Comparaison entre le décalage gravitationnel prédit par le rayonnement gravitationnel et celui mesuré par l’expérience GREAT.

Les autres projets de physique fondamentale de Galileo

Le NSO participe à d’autres projets visant à explorer les frontières de la physique.

Parmi les plus intéressants, notons la recherche d’un type particulier de « matière sombre », la mystérieuse substance qui constituerait environ 25 % de l’univers, mais qui n’a jamais encore été détectée, ainsi qu’une étude de faisabilité pour la mesure du présumé « effet d’horloge gravitomagnétique ». Cet effet représente une très petite modification à la troisième loi de Kepler prédite par la relativité générale et qui vient apporter différentes corrections au temps mesuré par un objet en orbite autour d’un corps tournant, selon la direction dans laquelle se déplace l’objet en orbite.

Dans les deux cas, les mesures reposent entièrement sur l’utilisation d’une horloge précise.

La nécessité des horloges de précision est évidente pour le deuxième projet. Dans le cadre du premier projet, cela s’explique par le fait que la matière sombre vient introduire d’infimes perturbations dans les fréquences d’horloge pouvant être extraites des données Galileo. Même si les chances de détecter la matière sombre sont minces, sa non-détection revêt aussi un intérêt, puisque les résultats expérimentaux fournissent des contraintes utiles sur les théories censées expliquer ses propriétés.

Des perspectives scientifiques pour la nouvelle génération de Galileo

Les satellites Galileo de nouvelle génération pourraient être équipés de matériel expérimental spécialisé, mais seulement si celui-ci ne nuit pas au fonctionnement normal du système Galileo dans son ensemble.

Dans le cadre du programme Horizon 2020 de la Commission européenne pour la recherche et l’innovation en matière de navigation par satellite, et avec la participation active du NSO, une étude de faisabilité est en train d’évaluer la possibilité d’installer sur les satellites Galileo des instruments servant à détecter les sursauts de rayons gamma. Les sursauts gamma sont des explosions très brèves et très intenses qui génèrent énormément d’énergie. Ils seraient causés par la fusion d’objets de masse stellaire dans des systèmes binaires aboutissant à la formation d’un trou noir ou par l’effondrement d’étoiles géantes.

L’étude de tels événements nous permet d’obtenir des quantités astronomiques d’information sur la vitesse de formation des étoiles dans l’univers et l’évolution de la chimie dans les galaxies comme la nôtre. Cela tient au fait que les métaux lourds dans l’univers se seraient formés durant les événements à l’origine des explosions de rayons gamma.

On espère que l’installation de détecteurs de sursauts de rayons gamma sur au moins quatre satellites Galileo permettra de doubler le nombre de sursauts détectés chaque année. Cette évaluation en est encore au stade préliminaire, mais les résultats semblent prometteurs.

L’avenir du NSO

Galileo n’a jamais eu comme raison d’être d’agir comme plateforme de sciences fondamentales. Il s’avère toutefois que le système convient parfaitement à certaines expériences, et ce, à un coût réduit par rapport aux missions scientifiques spécialisées, puisque l’équipement existe déjà et qu’il ne reste plus qu’à analyser les données.

Le coût réduit et la nature des données accessibles à de telles expériences viennent assurer au NSO un brillant avenir pour ce qui est de repousser les limites de nos connaissances de l’univers.

Contribution de RHEA aux activités du NSO

Un employé de RHEA travaille au NSO, prenant part aux activités liées à la physique fondamentale. Dans le cadre de ses fonctions, il soumet des idées de projets intéressants qui pourraient être parrainés par le NSO, évalue les projets soumis dans le cadre des appels de propositions et suit l’évolution des projets de physique fondamentale auxquels le NSO participe.

Pour ce poste, il est nécessaire de détenir une formation de niveau doctoral en physique théorique, de posséder de bonnes connaissances des méthodes de navigation et de connaître les procédures de gestion des petits projets de l’ESA. Ce bureau multidisciplinaire compte un petit groupe de personnes; il est donc essentiel de comprendre d’autres domaines scientifiques et de posséder de bonnes aptitudes à la communication.

Image principale : En 2014, les deux premiers satellites Galileo lancés par la fusée Soyouz-STB Fregat-MT ont été placés sur la mauvaise orbite en raison d’un problème avec le véhicule de lancement. Cependant, cela a conduit à un projet appelé Galileo gravitational Redshift Experiment with excentric sATellites (GREAT), qui a été un succès complet. ESA-Pierre Carril, 2014.

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