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La politique spatiale française: bilan et perspectives

 

ANNEXE 6-3 - RECHERCHE -PHYSIQUE FONDAMENTALE

Pour tester la Relativité générale dans le système solaire, le CNES développera d'abord de nouveaux outils de métrologie temps-fréquences, tels que le projet d'horloge atomique à atomes refroidis PHARAO, qui sera installée en 2005 sur la station spatiale et dont l'exactitude et la stabilité (par jour) atteindront 10-16, ainsi que des techniques de transfert de temps ultraprécis.

L'horloge atomique PHARAO, développée par l'Ecole Normale Supérieure et d'autres laboratoires français ainsi que le CNES, est une étape essentielle à la préparation des futurs projets spatiaux en physique fondamentale. La mission européenne ACES (Atomic Clock Ensemble in Space), installée en 2005 sur la Station, comprendra l'horloge atomique par refroidissement d'atomes en orbite PHARAO, combinée à une technique de transfert de temps par lien micro onde et à un Maser à Hydrogène développé par la Suisse dans un but de comparaison. En effet, l'ISS apparaît aujourd'hui comme la meilleure opportunité pour tirer parti de la microgravité nécessaire au fonctionnement optimal de ce type d'horloge dont l'exactitude et la stabilité devraient atteindre 10-16. Des retombées majeures sont attendues pour la métrologie du temps et des fréquences et pour les futurs systèmes de navigation.

A. PRINCIPE D'ÉQUIVALENCE - PROJET MICROSCOPE

Le principe d'équivalence a pour justification l'observation expérimentale que tous les corps, indépendamment de leur masse et de leur composition, acquièrent la même accélération dans un champ de gravitation. Cette universalité de la chute des corps peut s'exprimer en disant que la masse gravitationnelle mg d'un corps (coefficient de masse entrant dans l'expression de la force gravitationnelle) est égale à la masse inerte mi; (coefficient entrant dans la deuxième loi de Newton).

Les expériences portant sur le principe d'équivalence appartiennent en fait aux deux thématiques classique et quantique, car elles testent l'idée classique de l'existence d'un continuum d'espace-temps (conséquence directe du principe d'équivalence), ou pourraient permettre de détecter l'effet de nouvelles particules ou de nouvelles forces. II est estimé que, quelle que soit leur origine, de telles forces supplémentaires pourraient, en se superposant à la gravitation, se manifester par des violations apparentes du principe d'équivalence à des niveaux inférieurs à 10-13-10-14. De ce point de vue, les expériences déjà réalisées au sol ne sont pas probantes car elles n'ont pu atteindre une précision relative que de quelques 10-12 (expériences de type Eötvos, Dicke et tirs laser Lune) et il s'avère nécessaire de profiter de l'environnement spatial pour faire à nouveau progresser la précision de cette mesure par un facteur important.

Le concept du test en orbite du principe d'équivalence consiste à disposer à bord d'un satellite à traînée compensée et en pointage inertiel (ou quasi inertiel) des accéléromètres dont les masses d'épreuve, regroupées par paires, sont de composition différente. Dans la direction de l'axe des masses d'épreuve cylindriques, une violation du principe d'équivalence se traduit par une accélération différentielle périodique à la fréquence orbitale ou à une fréquence voisine (décalée de la vitesse de rotation du satellite autour de la normale à l'orbite). Le niveau de précision atteindra 10-15 dans le cas de l'expérience Microscope.

Microscope est un projet proposé par l'ONERA et l'Observatoire de la Côte d'Azur, pour être embarqué sur un microsatellite du CNES en passager secondaire d'Ariane-5 ou de PSLV, sur une orbite héliosynchrone, pendant une durée d'opération au minimum de six mois. Outre le test du principe d'équivalence, cette mission apportera l'occasion de qualifier les technologies de réalisation d'un satellite à compensation de traînée.

Le microsatellite Microscope comprend pour l'essentiel :

- deux accéléromètres électrostatiques différentiels (comprenant chacun deux masses d'épreuve cylindriques concentriques), associés à une unité électronique,

- un système de contrôle d'attitude et de compensation de traînée implanté dans le calculateur du microsatellite (SCAO),

- des micropropulseurs électriques FEEPs (Field Émission Electric Propulsion) associés à leur électronique de commande et de puissance.

La faisabilité du projet a été démontrée au cours de l'année 1999. La conception du satellite Microscope est basée sur la ligne de produits Microsatellite, avec quelques adaptations concernant la structure, les panneaux solaires et le système SCAO. Le projet a été sélectionné par le Comité des Programmes Scientifiques en décembre 1999, comme nouvelle mission pour un lancement en 2004.

Les microaccéléromètres ultrasensibles sont développés par l'ONERA à Châtillon. L'étude de mission est faite à l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA/CERGA). Le CNES est maître d'oeuvre du microsatellite. Des coopérations au niveau européen sont en cours d'élaboration (ZARM Brême, Université de Birmingham, BIPM Sèvres, Centrospazzio Pise, ARCS Seibersdorf ). Le projet a été ouvert à une participation de l'ESA dans le cadre de l'appel pour les missions flexibles F2/F3.

Un projet de satellite encore plus ambitieux, à température cryogénique, intitulé Step (Satellite Test for the Equivalence Principle), est à (étude par la NASA et l'ESA. Ce projet envisage un test du Principe d'Équivalence à 10-18 ; il utiliserait la technologie de positionnement électrostatique de l'ONERA.