Dans de nouvelles études publiées dans Physical Review Letters et un numéro spécial de Classical and Quantum Gravity le 14 septembre, une équipe de chercheurs présentera le test le plus précis à ce jour du principe d'équivalence faible, un élément clé de la théorie de la relativité générale. Le rapport décrit les résultats finaux de la mission MICROSCOPE, qui a testé le principe en mesurant les accélérations d'objets en chute libre dans un satellite en orbite autour de la Terre. L'équipe a découvert que les accélérations des paires d'objets ne différaient pas de plus d'environ une partie sur 10 ¹⁵ excluant toute violation du principe d'équivalence faible ou tout écart par rapport à la compréhension actuelle de la relativité générale à ce niveau.

"Nous avons de nouvelles et bien meilleures contraintes pour toute théorie future, car ces théories ne doivent pas violer le principe d'équivalence à ce niveau", explique Gilles Métris, scientifique à l'Observatoire de la Côte d'Azur et membre de l'équipe MICROSCOPE.

La théorie de la relativité générale, publiée par Albert Einstein en 1915, décrit comment la gravité fonctionne et se rapporte au temps et à l'espace. Mais parce qu'elle ne tient pas compte des observations de phénomènes quantiques, les chercheurs recherchent des écarts par rapport à la théorie à des niveaux de précision croissants et dans diverses situations. De telles violations suggéreraient de nouvelles interactions ou forces qui pourraient unir la relativité à la physique quantique. Tester le principe d'équivalence faible (WEP) est une façon de rechercher des extensions potentielles à la relativité générale.

Selon le WEP, les objets dans un champ gravitationnel tombent de la même manière lorsqu'aucune autre force n'agit sur eux, même s'ils ont des masses ou des compositions différentes. Pour tester le principe, l'équipe MICROSCOPE a conçu son expérience pour mesurer le rapport Eötvös - qui relie les accélérations de deux objets en chute libre - avec une précision extrêmement élevée. Si l'accélération d'un objet diffère de celle de l'autre de plus d'environ une partie sur 10 ¹⁵ , l'expérience le mesurerait et détecterait cette violation du WEP.

Pour mesurer le rapport Eötvös, les chercheurs ont surveillé les accélérations des masses d'essai en alliage de platine et de titane alors qu'elles tournaient autour de la Terre dans le satellite MICROSCOPE. L'instrument expérimental utilisait des forces
électrostatiques pour maintenir des paires de masses d'essai dans la même position l'une par rapport à l'autre et recherchait des différences de potentiel dans ces forces, ce qui indiquerait des différences dans les accélérations des objets.

L'un des principaux défis de l'expérience consistait à trouver des moyens de tester l'instrument sur Terre pour s'assurer qu'il fonctionnerait comme prévu dans l'espace. "La difficulté est que l'instrument que nous lançons ne peut pas fonctionner au sol", explique Manuel Rodrigues, scientifique à l'ONERA et membre de l'équipe MICROSCOPE. "C'est donc une sorte de test à l'aveugle."

Une fois l'instrument prêt, l'équipe l'a lancé en 2016. Ils ont publié des résultats préliminaires en 2017, mais ils ont continué à analyser les données, en tenant compte des problèmes et des incertitudes systématiques, après la fin de la mission en 2018. Ils n'ont finalement trouvé aucune violation du WEP. , fixant les contraintes les plus strictes sur le principe à ce jour.

Les travaux de l'équipe ouvrent la voie à des tests encore plus précis du WEP avec des expériences satellitaires. Leur analyse comprend des moyens d'améliorer la configuration expérimentale, comme la réduction des craquements dans le revêtement des satellites qui ont affecté les mesures d'accélération et le remplacement des fils de la configuration par des dispositifs sans contact. Une expérience satellite mettant en œuvre ces mises à niveau devrait être en mesure de mesurer les violations potentielles du WEP au niveau d'une partie sur 10 ¹⁷ , disent les chercheurs. Mais les résultats de MICROSCOPE resteront probablement les contraintes les plus précises sur le WEP pendant un certain temps.

"Pendant au moins une décennie ou peut-être deux, nous ne voyons aucune amélioration avec une expérience de satellite spatial", a déclaré Rodrigues. + Explorer plus loin

L'expérience d'objets en chute libre de Galileo réussit le test spatial prouvant davantage le principe d'équivalence