E8 La gravitation modifiée, de la banlieue terrestre au cosmos

  •  

    La physique fondamentale fait actuellement face à plusieurs défis, tels (1) l’unification de la relativité générale et de la physique quantique, et (2) l’explication de l’accélération de l’expansion de l’Univers. La plupart des théories qui visent à réconcilier la relativité générale et la physique quantique (comme par exemple la théorie des cordes) introduisent de nouveaux champs scalaires qui pourraient être détectés via une cinquième force encore inconnue. De même, l’accélération de l’expansion universelle peut être expliquée soit en introduisant une constante cosmologique dans les équations d’Einstein, soit par l’ajout de champs qui affectent la dynamique de l’Univers aux échelles cosmologiques, soit par la modification de la relativité générale. Cependant, si une cinquième force créée par un nouveau champ affecte les grandes échelles de l’Univers, elle devrait aussi affecter ses plus petites échelles ; cela contredit les tests passés et présents de la relativité générale. Différents mécanismes d’écrantage ont donc été imaginés pour éviter cet écueil : ils permettent d’annuler les effets de la cinquième force à petite échelle afin de rendre les nouvelles théories en accord avec les contraintes expérimentales. Un des tests les plus fins permet de rechercher une violation du principe d’équivalence attendue dans certains modèles d’écrantage, comme par exemple le caméléon.

    bpc_microscope_p41481_vignetteMICROSCOPE, lancé le 26 avril 2016, va tester le principe d’équivalence faible avec une précision de 10-15, cent fois meilleure que les contraintes actuelles. Cette mission va permettre de poser de nouvelles contraintes sur les théories prédisant l’existence de nouveaux champs scalaires entrainant une violation du principe d’équivalence. En particulier, elle va permettre de tester le mécanisme caméléon.

    La mesure fine de l’orbite lunaire par le Lunar Laser Range, ainsi que les éphémérides planétaires, apportent des contraintes fines sur les déviations de la relativité générale dans le système solaire. En particulier, il est possible de contraindre d’autres mécanismes d’écrantage, comme le mécanisme de Vainshtein et le K-mouflage, qui affectent les orbites des planètes et des sondes interplanétaires.

    Les sondages cosmologiques apportent des contraintes complémentaires. En effet, la gravitation modifiée affecte la formation des grandes structures. Par exemple, les comptages d’amas de galaxies massifs et la mesure du spectre de puissance de la matière permettent de distinguer les modèles de concordance et de gravitation modifiée. Il devient alors possible de contraindre les mécanismes d’écrantage.

     

    Le projet a pour objectif d’explorer comment contraindre les modifications à la relativité générale sur trois échelles complémentaires :

    1. Orbite terrestre : contrainte du mécanisme caméléon avec MICROSCOPE
    2. Système solaire : développement d’un concept instrumental
    3. Échelles cosmologiques : contraindre la gravitation modifiée et les mécanismes d’écrantage d’après leurs effets sur la formation des grandes structures.

     

  • POSITION NOM LABORATOIRE GRADE, EMPLOYEUR
    WP leader BERGE Joel ONERA Ingénieur de recherche, ONERA
    WP co-leader PIRES Sandrine AIM Ingénieur de recherche, CEA
    WP co-leader BAGHI Quentin ONERA/OCA Postdoc, OCA (former ONERA PhD)
    WP membre BRAX Philippe IPhT Ingénieur de recherche, CEA
    WP membre CHRISTOPHE Bruno ONERA Ingénieur de recherche, ONERA
    WP membre HARDY Emilie ONERA Ingénieur de recherche, ONERA
    WP membre KILBINGER Martin AIM Ingénieur de recherche, CEA
    WP membre LIORZOU Françoise ONERA Ingénieur de recherche, ONERA
    WP membre PIERRE Marguerite AIM Ingénieur de recherche, CEA
    WP membre RODRIGUES Manuel ONERA Ingénieur de recherche, ONERA
    WP membre UZAN Jean-Philippe IAP DR, CNRS
    WP membre VALAGEAS Patrick IPhT Ingénieur de recherche, CEA

     

  •  

    Nous avons suivi l’avis du Comité scientifique de 2016 et développé notre projet, maintenant axé sur les tests de gravité à petite échelle et le développement des méthodes d’analyse des données correspondantes. Nous nous sommes donc regroupés sur les deux sujets : Analyse des données MICROSCOPE et concept ISLAND. Nous présentons notre travail ci-dessous.

    MICROSCOPE et la gravité à l’échelle de la Terre

    MICROSCOPE a été lancé le 25 avril 2016 et a depuis livré des données de haute qualité. L’analyse des données est en cours et les premiers résultats sur la mesure du principe d’équivalence faible (WEP) ont été soumis pour publication (Touboul et al). Suite à cette première publication, nous soumettrons de nouvelles contraintes sur la gravité modifiée, où nous nous concentrerons sur la dilatation, ainsi que sur les théories f(R) et le mécanisme caméléon (Bergé et al, en préparation).

    Nous avons utilisé les données MICROSCOPE pour déduire de nouvelles contraintes sur les constantes de couplage de dilatation, ainsi que sur les théories f(R). Malheureusement, comme les premiers résultats MICROSCOPE sont confidentiels jusqu’à leur publication officielle, nous ne pouvons pas rendre compte de nos résultats ici.

    Gravité à l’échelle du système solaire : ISLAND concept

    ISLAND (Inverse Square Law And Newtonian Dynamics Space Experiment) vise à limiter les écarts par rapport à la loi carrée inverse gravitationnelle (ISL) aux échelles submillimétriques et aux échelles de dizaines d’unités astronomiques (AU), les plus grandes échelles accessibles par un instrument fabriqué par l’homme dans le système solaire. Les balances submillimétriques seront testées avec un pendule de torsion électrostatique, basé sur le pendule de torsion au sol Eöt-Wash : une plaque d’attraction circulaire tourne sous une plaque de détection circulaire, les deux ayant des trous cylindriques qui agissent comme des attracteurs gravitationnels. La torsion du détecteur peut être estimée électrostatiquement, et peut être directement liée au couple gravitationnel exercé par l’attracteur. Tout écart par rapport à la LIS peut alors être mesuré directement.

    Nous améliorons actuellement notre modèle pour permettre des géométries plus générales, ce qui nous permettra de faire des prévisions plus réalistes et mieux motivées.

    MICROSCOPE fournira des données jusqu’au printemps 2018. Nous nous attendons à ce que l’analyse des données se poursuive jusqu’à la fin de 2019. Il sera axé sur deux aspects principaux :

    • Contraindre la physique fondamentale implique d’effectuer des simulations détaillées et des analyses physiques.
    • L’optimisation de la caractérisation des données implique une méthodologie d’analyse des données.

     

  •  

    Pires S., Bergé , Baghi Q., Touboul P., Métris G., “Dealing with missing data in the MICROSCOPE space mission: An adaptation of inpainting to handle colored-noise data”, 2016, Phys. Rev. D 94, 123015

    Bergé , Brax P., Métris G., Pernot-Borras M., Touboul P., Uzan J.P., “MICROSCOPE first constraints on the violation of the weak equivalence principle by a light scalar dilaton”, to be submitted to Phys. Rev. Letters

    Bergé , Brax P., Métris G., Pernot-Borras M., Touboul P., Uzan J.P., “MICROSCOPE’s Local Constraints on Chameleon Screening and f(R) Models”, in preparation

    Bergé , Baghi Q., Massey R., “Exponential shapelets: basis functions for fundamental physics, space geodesy and observational cosmology data analysis”, in preparation

    Bergé , “The Inverse Square Law And Newtonian Dynamics space explorer (ISLAND)”, in Proceedings of the 52nd Rencontres de Moriond

    Bergé , Baghi Q., Hardy E., Métris G., Serron L., Carle P., Chhun R., Guidotti P.Y., Huynh P.H., Inchauspé H., Lala S., Robert A., Rodrigues M., Touboul P., Travert J.M., “Validation of the MICROSCOPE data analysis and in-flight calibration: mock data blind analysis”, to be submitted to Phys. Rev. D

    Baghi Q. et al., “In-orbit estimation of the dynamic differential sensitivity in MICROSCOPE mission: a calibration using glitches”, in preparation

    Pierre Touboul et al. MICROSCOPE Mission: First Results of a Space Test of the Equivalence Principle, Phys. Rev. Lett. 119, 231101 – Published 4 December 2017, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.231101

    Bergé J., Touboul P., Rodrigues M., Liorzou F., « MICROSCOPE : five months after launch », Journal of Physics: Conference Series, Volume 840, Issue 1, article id. 012028 (2017)