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Mesure du champ de gravité de la terre : la piste des atomes froids

Pour mesurer le champ de gravité terrestre avec la plus grande précision possible, il faudra peut-être compter à l'avenir sur des atomes "refroidis" par lasers. Des chercheurs de l'ONERA de Palaiseau expérimentent cette voie prometteuse autant pour des applications civiles que militaires.

Carte des variations de la gravité en FranceCarte des variations de la gravité en France
© ONERA

Océanographie, géodésie, géophysique, climatologie, amélioration des trajectoires de satellites ou élaboration de cartes précises pour le guidage et la navigation : on ne compte plus le nombre de secteurs clés où la connaissance à la fois précise et globale du champ de gravitation terrestre est essentielle. Mais la mesure précise du champ terrestre contribue aussi à la compréhension de grands phénomènes physiques : ondes gravitationnelles et théorie de la relativité générale.
Dans tous ces domaines, l'Office national d'études et de recherche aérospatiales (ONERA), dont l'un des centres est situé à Palaiseau en Essonne, joue un rôle majeur. Il occupe aujourd'hui le premier rang mondial dans l'instrumentation pour la gravimétrie et la gradiométrie spatiales.

Qu'est-que la gravité terrestre ? D'après la loi de Newton, deux corps possédant une masse exercent une force d'attraction réciproque. Ainsi, lorsqu'on lâche un objet quelconque sur la Terre, il est attiré par notre planète comme un aimant. Par ailleurs, la Terre tourne sur elle-même (un tour par jour, soit environ 1 200 km/h au niveau de la France), ce qui tend - comme sur un manège d'enfants - à nous éjecter : c'est l'accélération centrifuge. La composition de ces deux accélérations constitue la pesanteur "g" dont la valeur moyenne (continue) au sol est de 9,81 m/s2. Ce sont les variations de cette pesanteur, dans l’espace et le temps, qu'il est utile de mesurer pour de nombreuses applications.

Un domaine d'excellence

L'ONERA développe en particulier des "accéléromètres ultrasensibles", appareils embarqués sur des satellites qui sont capables de mesurer en orbite jusqu'à un millionième de millionième de la gravité terrestre et de détecter ainsi les anomalies locales du champ terrestre. Ces instruments sont composés d'une "masse", sorte de dé métallique, qui est mise en lévitation par des forces électrostatiques dans une cage. Des capteurs électriques détectent le moindre mouvement de cette masse sous l'effet des accélérations dues en particulier à la gravité.

Les chercheurs du Département de mesure physique (DPMH) de l'ONERA, situé à Palaiseau, explorent déjà de nouvelles voies afin de construire des appareils encore plus performants. Leur piste : utiliser des atomes "froids", particules ralenties dont l'agitation thermique est très fortement réduite par un système de faisceaux lasers. Mais quel rapport avec la mesure de la gravité ? "Nous lâchons en quelque sorte des paquets d'atomes refroidis dans une cage. Soumis à la gravité terrestre, ces atomes tombent. Un système laser - un interféromètre - permet de mesurer au moins deux fois la vitesse de ces atomes et donc leur accélération dans la chute. C'est cette accélération nommée “g” qui nous intéresse" explique François Deyzac. La résolution de ce "gravimètre atomique" pourrait être mille fois supérieure à celle d'un gravimètre classique. Autre avantage, cet appareil peut fonctionner aussi bien au sol qu'en orbite à bord d'un satellite.

01.La gravité terrestre et la pesanteur

Montage expérimental laserLes chercheurs de l’ONERA de Palaiseau font preuve d'un grand savoir-faire (étude des milieux en combustion).
© ONERA
Parmi les leaders mondiaux dans le domaine de la géodésie spatiale grâce à des appareils de haute précision envoyés dans l'espace, l'ONERA est reconnu par les plus grandes agences spatiales : CNES, ESA et NASA. Pourtant, ses chercheurs savent aujourd'hui que cette technologie devra être complétée d'ici cinq à dix ans par d'autres techniques.

L'utilisation d'atomes froids pour améliorer la précision des mesures de la gravité terrestre est donc une voie très prometteuse. La France possède en effet un grand savoir-faire dans le domaine des atomes froids notamment depuis 1990, date à laquelle l'équipe du prix Nobel de physique Claude Cohen-Tanoudjii réussit à refroidir des atomes jusqu'à 2 micros kelvins au-dessus du zéro absolu. Un potentiel que les chercheurs de l'ONERA de Palaiseau associent aujourd'hui à leur grande compétence dans le domaine des sources lasers afin de construire un système de gravimétrie atomique.

Mais d'abord, qu'est-ce que "g" ? D'après la loi de Newton, deux corps possédant une masse, exercent une force d'attraction réciproque. Lorsqu'on lâche un objet quelconque sur Terre (de masse infime par rapport à celle de la Terre, donc avec une force d'attraction sur la Terre négligeable), il est attiré par notre planète comme un aimant : c'est la gravité terrestre. D'autre part, la Terre tourne sur elle-même (un tour par jour, soit environ 1 200 km/h au niveau de la France), ce qui tend à nous éjecter : c'est l'accélération centrifuge (environ 0,001 m/s2 en France). La composition de ces deux accélérations constitue la pesanteur "g" dont la valeur moyenne (continue) au sol est de 9,81 m/s2. Ce sont les variations de cette pesanteur qu'il est utile de mesurer pour de nombreuses applications

La gravimétrie électrostatique

Les instruments les plus performants actuellement pour mesurer les champs d'accélérations sont des accéléromètres ultrasensibles dits "électrostatiques". Comment fonctionnent ces appareils ? Accéléromètre électrostatiqueLa masse d’épreuve placée au centre de l’appareil permet de mesurer des variations de l’accélération gravitationnelle.
© ONERA
Ils sont constitués d'une cage contenant une "masse d'épreuve", sorte de dé maintenu par des forces électrostatiques en lévitation dans les trois directions de l'espace. La moindre variation de la position de la masse (seulement quelques centièmes de nanomètre, soit 10-11 mètres) est détectée par un dispositif électronique. Celui-ci permet de déterminer l'accélération de translation et de rotation due à la gravité.

De tels instruments peuvent présenter des résolutions du millionième de microgramme. Cette grande précision peut être exploitée dans l'espace sur des satellites mais pas sur Terre. Car la vitesse de déplacement d'un satellite autour de la Terre induit une accélération centrifuge qui compense l'accélération gravitationnelle. C'est pour cela que notre satellite ne retombe pas sur notre planète sous l'effet de l'attraction terrestre. L'accéléromètre est donc lui aussi à l'équilibre. Son moindre mouvement est du coup signe d'une variation de la force gravitationnelle et permet des mesures extrêmement précises. Or, sur Terre, la force centrifuge ne compense pas la gravité (ici, c'est le sol qui nous empêche d'aller plus bas !) et la présence de la composante continue de la gravité ("g moyen") sature en quelque sorte ces appareils ultrasensibles. C'est pourquoi les accéléromètres électrostatiques sont principalement utilisés en apesanteur. De ce fait, "ces instruments doivent être étalonnés en orbite, ce qui peut coûter beaucoup de temps sur la durée précieuse de la mission !" affirme François Deyzac.

02.Des atomes froids à la rescousse

Montage expérimentalLes chercheurs de l’ONERA de Palaiseau utilisent un système d’atomes froids.
© ONERA
Or, l'utilisation d'atomes froids évite toutes ces difficultés, car ils permettent de réaliser des instruments dits "absolus", c'est-à-dire dont l'exactitude n'est pas liée à la conception de l'appareil mais au principe de son fonctionnement (ici, la mesure ne dépend que des grandeurs physiques fondamentales des atomes froids employés). Autrement dit, les instruments absolus délivrent une mesure exacte par définition, sans ajustement nécessaire pour tenir compte des dispersions de réalisation. Ils ne nécessitent donc pas d'étalonnage. En conséquence, un gravimètre à atomes froids possède deux avantages : il devrait permettre d'obtenir une mesure de gravité dans l'espace aussi précise que les appareils classiques sans étalonnage préalable et, surtout, il pourrait être utilisé "sous g", c'est-à-dire sur le sol terrestre contrairement au gravimètre électrostatique.

Refroidir des atomes

Des atomes à basse température se dispersent naturellement beaucoup plus lentement que des atomes normaux : il est donc beaucoup plus facile de les utiliser dans un appareil de mesure car on dispose de plus de temps pour les observer. Les atomes utilisés ici pour ce type d'application sont principalement le césium et le rubidium.

Nuage d'atomesImage du nuage d’atomes piégés et refroidis (en fausse couleur)
© ONERA
Mais comment refroidir ces atomes jusqu'à quelques microkelvins (1 microkelvin = 1/1 000 000 de degré au-dessus du 0 absolu) ? Nos chercheurs disposent d'un groupe d'atomes sous forme de gaz possédant une certaine agitation thermique. Celle-ci est très importante car les atomes bougent à des centaines de mètres voire de kilomètres par seconde. Le but est donc de limiter cette agitation en freinant le mouvement erratique des atomes. Le gaz d'atomes est placé dans un piège magnéto-optique : six faisceaux lasers bombardent les atomes suivant les trois directions de l'espace. Sur chaque axe, les atomes sont donc pris entre deux lasers de directions opposées. En absorbant des photons issus des faisceaux lasers, les atomes encaissent un recul, un "choc" qui les pousse dans la direction de la lumière (c'est une pression de radiation). Au final, notre atome se trouve en permanence poussé dans un sens et dans l'autre sous l'influence des faisceaux lasers opposés. Il finit donc par ralentir considérablement, se fige presque en oscillant très faiblement à droite puis à gauche.

Mesurer la gravité

Après cette étape de refroidissement, le gravimètre utilise un principe commun aux dernières horloges atomiques, appareils qui mesurent le temps avec une précision remarquable (au bout de trois millions d'années, l'erreur accumulée par cette horloge est inférieure à une seconde…). Satellite de mesure gravitationnelleUn artiste a représenté un satellite mesurant la gravité depuis l’espace.
© ONERA
C'est le concept de la "fontaine atomique" : on propulse un nuage d'atomes refroidis en hauteur grâce à des faisceaux lasers, puis on attend qu'ils tombent sous l'effet de la pesanteur.

Ensuite, c'est un système d'interférométrie qui permet de calculer in fine l'accélération subie par les atomes froids. Lorsqu'ils tombent (en général en une centaine de millisecondes) sous l'effet de la gravité, des faisceaux lasers fixes et perpendiculaires les détectent à trois reprises dans le temps afin d'établir leur vitesse puis leur accélération, ce qui permet ensuite de déterminer la valeur de "g". Lorsque les atomes rencontrent le faisceau laser, ils sont en quelque sorte localisés comme avec une photographie. Les sources lasers doivent être très stables et bien positionnées pour la qualité de mesures. Les chercheurs de Palaiseau utiliseront pour cela des sources lasers à base de fibre optique, issues du savoir-faire de l'ONERA.

03.De nombreux partenaires

Satellite en constructionSatellite allemand nommé CHAMP (Challenging Mini Satellite Package for Geophysical Research and Applications) développé par l’institut scientifique GFZ (Postdam). Projet auquel participent l’ONERA et le CNES.
© GFZ
Afin de développer leurs recherches, les chercheurs de Palaiseau travaillent en étroites collaborations avec des laboratoires publics dont la plupart sont situés en Île-de-France et en Essonne. "Des partenaires essentiels à citer, car sans eux tout serait plus difficile" insiste François Deyzac.

En effet, ces laboratoires de physique fondamentale ont déjà beaucoup de connaissance sur les atomes froids, notamment dans le domaine des horloges atomiques. Il s'agit du SYRTE (Système de référence de temps et d'espace ) situé à l'Observatoire de Paris, de IOTA (Institut d'optique théorique et appliquée ) de Palaiseau, qui apporte ses connaissances sur les condensats de Bose-Einstein (atomes refroidis à des températures records), du laboratoire Kastler Brossel (École normale supérieure ) et du LPL (Laboratoire de physique des lasers ) de l'université Paris 13. L'ONERA de Palaiseau bénéficie aussi du savoir-faire technique du personnel travaillant sur le projet PHARAO (projet d'horloge atomique à refroidissement d'atomes en orbite ) géré par le CNES et destiné à la station spatiale internationale (ISS). Enfin, une étude financée par la DGA (Délégation générale pour l'armement) a permis aux chercheurs de l’ONERA d'évaluer par simulation numérique la performance objective de leur gravimètre atomique. Toujours soutenus par la DGA, ils développent aujourd’hui un prototype transportable, dont il faudra encore réduire l’encombrement. L'enjeu est d'obtenir un appareil de coût réduit et facilement embarquable dans l'espace comme sur Terre.

04.Des applications concrètes

Instruments de mesure de la gravité terrestreDes instruments tels que ce gravimètre sont embarqués sur des satellites dans l’espace pour mesurer la gravité terrestre. Ici il s’agit d’une vue d’artiste du projet GRACE (Gravity Recovery And Climate Change) mené par la NASA et auquel l’ONERA participe.
© ONERA
La gravimétrie permet en premier lieu d'étudier la répartition des masses des matériaux situés dans la croûte terrestre (roches, fer, eau) car ceux-ci modifient sensiblement le champ gravitationnel. Elle apporte donc une meilleure connaissance des couches géologiques du sol, ce qui est par exemple bien utile pour repérer du pétrole. Elle permet également de mieux observer les fluctuations du niveau des océans et les variations des courants océaniques, essentielles pour l'étude du climat, sans oublier l'évolution des calottes glaciaires. Dans ces domaines, l'ONERA participe actuellement à des missions du CNES et de la NASA (satellites GRACE, STEP ou OMEGA).

Outre ces applications, les gravimètres atomiques pourraient améliorer la navigation inertielle d'engins civils et militaires et seraient complémentaires de systèmes tels que le GPS (voir le dossier Géolocalisation : que nous réserve encore le GPS ?). Étant utilisables au sol, ils pourraient être installés sur des bateaux, à bord de voitures, d'avions, ou de sous-marins. Enfin, de la même manière que les horloges atomiques ont permis de définir "la seconde" d'après une fréquence atomique naturelle, la gravimétrie atomique devrait permettre de se passer un jour du kilogramme étalon (dernier artefact matériel définissant une unité du système international, SI).

Contredire Einstein

Autre débouché cette fois en physique fondamentale, la vérification du principe d'équivalence entre masse "grave" et masse "inerte", qui représente l'un des fondements de la théorie de la relativité d'Einstein. La Tour de PiseAvant qu’Einstein ne stipule le principe d’équivalence en 1906, Galilée démontra à son époque que deux objets de masses différentes soumis tout deux à la gravité terrestre tombaient à la même vitesse au sol grâce à la célèbre expérience de la Tour de Pise.
© ONERA
La masse "grave" est la masse utilisée pour exprimer l'attraction gravitationnelle entre deux corps et en particulier avec la Terre : F=mg (l'attraction gravitationnelle F est proportionnelle à la masse grave m et au champ de gravité g) tandis que la masse "inerte" se retrouve dans la relation fondamentale de la dynamique F=ma (la somme des forces appliquées sur un objet en mouvement est égale à sa masse inerte multipliée par son accélération).

Plus simplement, "il s'agit de bien vérifier qu'un paquet de plumes et un paquet de plomb soumis au même champ de gravité tombent exactement à la même vitesse en absence d'autres forces comme les forces de frottement" résume François Deyzac. Jusque-là, les expériences actuelles montrent que l'on retrouve par ces formules des masses identiques à 10-12 près ! "Mais la théorie est-elle vérifiée pour une plus grande précision ? " s'interroge Alexandre Bresson. Pourquoi diantre les chercheurs voudraient-ils mettre en défaut une théorie apparemment aussi solide ? Cette information serait par exemple utile dans le modèle de la théorie des cordes qui entrevoit justement une mise en défaut du principe d'équivalence. Connaître la limite de la théorie de la relativité permettrait aux scientifiques de faire un tri dans leurs diverses hypothèses.

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