Les premiers résultats de l’expérience Microscope viennent d’être dévoilés. Son objectif est de tester le principe d’équivalence, qui veut que dans le vide, tous les corps tombent avec la même vitesse. Décryptage avec Gilles Métris, co-investigateur principal de la mission.

Les premiers résultats de l’expérience Microscope viennent d’être publiés dans la revue Physical Review Letters. Quels sont-ils et quel est l’objectif de cette expérience qui implique plusieurs équipes du CNRS ?

Gilles Métris : L’objectif du satellite Microscope du Cnes est de mettre à l’épreuve le principe dit d’universalité de la chute libre, ou d’équivalence, selon lequel tous les corps tombent de la même manière, c’est-à-dire avec la même accélération, dans un champ de gravité. Or, après avoir analysé les données de la première session de mesures, nous concluons que le principe d’équivalence est valable dans la limite d’une précision de 14 chiffres après la virgule. Ainsi, nous améliorons d’un facteur 20 la précision de la meilleure mesure réalisée jusqu’ici par le groupe de physiciens américains Eöt-Wash en 2012.



Quel est le principe de Microscope ?

G. M. : D’un mot, pour tester le principe d’équivalence, il s’agit de comparer comment des masses, dont les compositions diffèrent, tombent dans le champ de gravité. Les premières expériences de ce type remontent à Galilée. À sa suite, Isaac Newton, en utilisant des pendules de même longueur mais munis de boules de matériaux différents, a vérifié qu’ils battaient au même rythme, à 10-3 près. Puis, en 1889, Loránd Eötvös, utilisant pour sa part des pendules de torsion, est parvenu a réaliser une mesure avec huit chiffres significatifs. C’est en affinant la même technique expérimentale que le record de 2012 a été établi. Avec Microscope, nous revenons au principe des expériences originelles, c’est-à-dire la chute libre. Mais, contrairement à l’expérience de pensée de Galilée, « réalisée » depuis le sommet de la Tour de Pise, nous avons placé nos masses à l’intérieur d’un satellite en orbite autour de la Terre, à 700 kilomètres d’altitude. Ainsi, elles chutent en continu, loin des perturbations de surface.

Le principe d’équivalence est valable dans la limite d’une précision de 14 chiffres après la virgule. Précisément, il s’agit de deux cylindres creux concentriques – le cylindre interne, en platine, a une masse de 400 grammes et le cylindre externe, en titane, une masse de 300 grammes – en apesanteur dans une enceinte, à la manière d’un astronaute dans la Station spatiale internationale. Grâce à un système électrostatique, ces deux masses sont maintenues parfaitement immobiles l’une par rapport à l’autre. Il s’agit alors de mesurer et de comparer les forces à appliquer à chaque masse pour les maintenir fixes. Dans la mesure où l’on contrôle toutes les autres perturbations, une différence signerait une violation du principe d’équivalence.

Pourquoi est-ce important de tester le principe d’équivalence ?

G. M. : Dans le formalisme de Newton, ce principe traduit l’identité de la masse grave, qui détermine la sensibilité d’un corps à l’attraction d’un champ gravitationnel, et de la masse inerte, qui détermine le degré de résistance d’un corps à une modification de son mouvement. A priori, il n’y a aucune raison qu’elles coïncident. Pourtant, le principe d’équivalence est au fondement de la relativité générale d’Einstein, édifiée en 1915. C’est lui qui conduit à considérer la gravitation non pas comme une force qui s’exercerait depuis un objet vers un autre, mais comme liée à la déformation de la structure même de l’espace-temps.

Alors que la relativité générale a été vérifiée avec un luxe de détails, pourquoi s’attend-on à une éventuelle remise en cause du principe d’équivalence ?

G. M. : Parce que si la relativité générale marche très bien, elle ne peut pas constituer une théorie définitive. En l’occurrence, elle n’intègre pas les prescriptions de la mécanique quantique, à la différence des théories qui décrivent les trois autres interactions – l’électromagnétisme et les forces nucléaires forte et faible. Ainsi, depuis plusieurs décennies, les théoriciens travaillent à l’élaboration d’un cadre commun pour unifier les quatre interactions fondamentales. Or, de nombreuses théories candidates à cette unification prévoient l’existence de nouveaux champs, dont l’une des manifestations serait une violation du principe d’équivalence. L’observation d’une telle violation serait même l’une des façons les plus simples et les moins coûteuses de mettre ces théories à l’épreuve.



Sauf que Microscope vient de montrer que le principe d’équivalence résiste encore et toujours…

G. M. : D’après les théoriciens, une violation n’était pas attendue au niveau de précision exploré avant Microscope. Tout l’intérêt de cette expérience est qu’elle va permettre pour la première fois d’explorer des domaines où le principe d’équivalence pourrait commencer à achopper, sans qu’il y ait pour autant de prédictions théoriques fortes que cela devrait se produire. Ajoutons que le résultat qui vient d’être publié n’est fondé que sur la toute première série de mesures.



Quelle suite est prévue pour l’expérience ?

G. M. : Microscope a été placé en orbite en avril 2016. Depuis, il a réalisé environ dix sessions de mesures de huit jours chacune. Au terme de la mission, prévu au printemps 2018, nous devrions par ailleurs disposer d’une dizaine de sessions supplémentaires, soit environ vingt au total. L’ensemble permettra de gagner un facteur 10 sur la précision, et de parvenir ainsi à 15 chiffres significatifs. In fine, nous serons limités par l’autonomie des micropropulseurs à gaz qui permettent de contrôler très finement les mouvements du satellite.



À quel résultat vous attendez-vous ?

G. M. : C’est impossible à dire dans la mesure où aucune prédiction n’indique expressément à quel niveau de précision nous devrions observer un début d’écart au principe d’équivalence. Si tel était le cas avec Microscope, l’objectif suivant serait bien évidemment de le confirmer par une mesure indépendante. À l’inverse, en cas de résultat négatif, il s’agira d’imaginer de nouvelles expériences encore plus précises. À cet égard, en 2018, l’Agence spatiale européenne donnera ou non son feu vert pour l’expérience Stequest, dont l’ambition est d’étudier la chute libre d’atomes dans l’espace. De son côté, l’expérience américaine Step ambitionne d’atteindre une précision de 18 chiffres après la virgule, avec trois masses maintenues à température cryogénique. En attendant, le principe d’équivalence résiste depuis 400 ans !





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