L'excentricité relativiste des satellites Galileo 5 et 6 atteint une amplitude maximale d'environ 370 nanosecondes (milliardièmes de seconde), entraîné par le changement d'altitude, et donc changer les niveaux de gravité, de leurs orbites elliptiques autour de la Terre. Une modulation périodique de cette taille est clairement perceptible, étant donné la relative stabilité de fréquence des horloges atomiques passives à hydrogène Maser à bord des satellites. Crédit :Agence spatiale européenne
Le système européen de navigation par satellite Galileo, qui dessert déjà des utilisateurs dans le monde entier, a désormais fourni un service historique à la communauté des physiciens du monde entier, permettant la mesure la plus précise jamais faite de la façon dont les changements de gravité modifient le temps qui passe, un élément clé de la théorie de la relativité générale d'Einstein.
Deux équipes européennes de physique fondamentale travaillant en parallèle ont réalisé indépendamment une amélioration d'environ quintuple de la précision de mesure de l'effet de dilatation du temps entraîné par la gravité, connu sous le nom de « décalage vers le rouge gravitationnel ».
Le prestigieux Lettres d'examen physique journal vient de publier les résultats indépendants obtenus des deux consortiums, recueillies à partir de plus de mille jours de données obtenues à partir de la paire de satellites Galileo sur des orbites allongées.
« Il est extrêmement satisfaisant pour l'ESA de voir que notre attente initiale selon laquelle de tels résultats pourraient être théoriquement possibles a maintenant été confirmée en termes pratiques, fournissant la première amélioration signalée du test de décalage vers le rouge gravitationnel depuis plus de 40 ans, " commente Javier Ventura-Traveset, Chef du Bureau des sciences de la navigation Galileo de l'ESA.
"Ces résultats extraordinaires ont été rendus possibles grâce aux caractéristiques uniques des satellites Galileo, notamment les très hautes stabilités de leurs horloges atomiques embarquées, les précisions atteignables dans leur détermination d'orbite et la présence de rétroréflecteurs laser, qui permettent d'effectuer des mesures d'orbite indépendantes et très précises depuis le sol, clé pour démêler les erreurs d'horloge et d'orbite."
Ces activités de recherche parallèles, connu sous le nom de GREAT (Galileo gravitational Redshift Experiment with excentric sATellites), ont été dirigés respectivement par l'Observatoire SYRTE de Paris en France et le Centre allemand de technologie spatiale appliquée et de microgravité ZARM, coordonné par le Galileo Navigation Science Office de l'ESA et soutenu par ses activités de base.
Les satellites Galileo 5 et 6 ont été placés sur des orbites allongées défectueuses par un étage supérieur Soyouz défectueux lors de leur lancement en 2014. Cela les a empêchés de voir l'intégralité du disque terrestre pendant le point bas ou le périgée de leurs orbites, rendant leurs charges utiles de navigation inutilisables, car ils utilisent un capteur terrestre pour centrer leurs faisceaux de signaux. Les manœuvres orbitales ultérieures ont réussi à rendre leurs orbites plus circulaires et leurs charges utiles de navigation utilisables car elles ont conservé des vues de l'ensemble du disque terrestre à travers chaque orbite. Cependant leurs orbites restent elliptiques par rapport au reste du Constell Galileo. Crédit :Agence spatiale européenne
Heureux résultats d'un malheureux accident
Ces découvertes sont l'heureuse issue d'un malheureux accident :en 2014, les satellites Galileo 5 et 6 ont été bloqués sur des orbites incorrectes par un étage supérieur Soyouz défectueux, bloquant leur utilisation pour la navigation. Les contrôleurs de vol de l'ESA sont passés à l'action, effectuer un sauvetage audacieux dans l'espace pour élever les points bas des orbites des satellites et les rendre plus circulaires.
Une fois que les satellites ont obtenu des vues de l'ensemble du disque terrestre, leurs antennes pourraient être verrouillées sur leur monde natal et leurs charges utiles de navigation pourraient effectivement être allumées. Les satellites sont aujourd'hui utilisés dans le cadre des services de recherche et de sauvetage Galileo, tandis que leur intégration dans le cadre des opérations nominales Galileo est actuellement en cours d'évaluation finale par l'ESA et la Commission européenne.
Cependant, leurs orbites restent elliptiques, avec chaque satellite montant et descendant quelque 8 500 km deux fois par jour. C'était ces changements réguliers de hauteur, et donc les niveaux de gravité, ce qui a rendu les satellites si précieux pour les équipes de recherche.
Reconstitution de la prédiction d'Einstein
Albert Einstein a prédit il y a un siècle que le temps passerait plus lentement près d'un objet massif, une découverte qui a depuis été vérifiée expérimentalement à plusieurs reprises - le plus important en 1976 lorsqu'une horloge atomique maser à hydrogène sur la fusée suborbitale Gravity Probe-A a été lancée à 10 000 km dans l'espace, confirmant la prédiction d'Einstein à 140 parties par million près.
En réalité, les horloges atomiques embarquées sur les satellites de navigation doivent déjà tenir compte du fait qu'elles tournent plus vite en orbite qu'au sol, soit quelques dixièmes de microseconde par jour, ce qui entraînerait des erreurs de navigation de l'ordre de 10 km par jour, si non corrigé.
Modulation périodique du décalage vers le rouge gravitationnel pour l'orbite d'un jour des satellites Galileo en orbite excentrique. Crédit :Agence spatiale européenne
Les deux équipes se sont appuyées sur le chronométrage stable des horloges passives du maser à hydrogène (PHM) à bord de chaque Galileo - stable à une seconde en trois millions d'années - et ont empêché la dérive du segment terrestre mondial de Galileo.
"Le fait que les satellites Galileo soient équipés d'horloges maser passives à hydrogène, était essentiel pour atteindre la précision de ces tests, " a noté Sven Hermann du ZARM Center of Applied Space Technology and Microgravity de l'Université de Brême.
"Alors que chaque satellite Galileo transporte deux horloges maser au rubidium et deux à hydrogène, un seul d'entre eux est l'horloge de transmission active. Pendant notre période d'observation, nous nous concentrons ensuite sur les périodes de temps où les satellites émettaient avec des horloges PHM et évaluons très attentivement la qualité de ces précieuses données. Améliorations continues dans le traitement et en particulier dans la modélisation des horloges, pourrait conduire à des résultats plus serrés à l'avenir."
Affiner les résultats
Un défi majeur sur trois ans de travail était d'affiner les mesures de décalage vers le rouge gravitationnel en éliminant les effets systématiques tels que l'erreur d'horloge et la dérive orbitale dus à des facteurs tels que le renflement équatorial de la Terre, l'influence du champ magnétique terrestre, les variations de température et même la poussée subtile mais persistante de la lumière du soleil elle-même, connue sous le nom de « pression de rayonnement solaire ».
« Une modélisation et un contrôle prudents et prudents de ces erreurs systématiques ont été essentiels, avec des stabilités jusqu'à quatre picosecondes sur la période orbitale de 13 heures des satellites ; c'est quatre millionième d'un millionième de seconde, " Pacôme Delva du SYRTE Observatoire de Paris.
« Cela a nécessité le soutien de nombreux experts, avec notamment l'expertise de l'ESA grâce à sa connaissance du système Galileo."
Le suivi précis des satellites a été activé par le service international de télémétrie laser, des lasers brillants jusqu'aux rétro-réflecteurs de Galileos pour des contrôles orbitaux à l'échelle centimétrique.
Un soutien important a également été reçu du Bureau d'appui à la navigation basé au centre d'opérations ESOC de l'ESA en Allemagne, dont les experts ont généré les produits d'horloge et d'orbite stables de référence pour les deux satellites excentriques Galileo et ont également déterminé les erreurs résiduelles des orbites après les mesures laser.
