La force la plus faible de la nature

Lorsqu'une fusée Falcon 9 a décollé de la base spatiale de Vandenberg, en Californie, en mai 2018, Benedikt Soja, sous le charme, était là, au sol, pour y assister. À l'époque, le chercheur était employé par la NASA, qui s'était associée au Centre allemand de recherche en géosciences (GFZ) pour lancer deux satellites dans l'espace. Aujourd'hui, Benedikt Soja est professeur adjoint de géodésie spatiale au département d'ingénierie civile, environnementale et géomatique de l'ETH Zurich, où il analyse avec son équipe les données de cette paire de satellites. «La mission GRACE Follow-On, ou GRACE-FO, est conçue pour cartographier le champ de gravité de la Terre avec une précision sans précédent», explique-t-il. «Grâce à elle, nous pouvons suivre l'évolution de l'attraction gravitationnelle en tout point de la Terre.»

C'est la gravité qui fait tomber les objets au sol et qui maintient la Terre à une distance du Soleil propice à la vie. Pourtant, l'attraction gravitationnelle varie d'un endroit à l'autre : notre planète n'est pas une sphère parfaite, et les zones de plus grande masse exercent une attraction gravitationnelle plus forte. En mesurant la gravité, GRACE-FO peut donc déterminer comment la masse est répartie sur la planète.

Garder un œil sur le changement climatique

«Nous sommes très intéressés par le suivi des changements dans la distribution de la masse de la Terre», explique Benedikt Soja. «C'est particulièrement vrai en ce qui concerne l'eau, à l'heure où le changement climatique est un problème majeur.» Grâce aux mesures satellitaires, les scientifiques peuvent surveiller la fonte des calottes glaciaires au Groenland ou en Antarctique et la diminution des nappes phréatiques dans certaines régions de Californie ou d'Inde. «Même de fortes précipitations suffisent à provoquer un changement perceptible du champ gravitationnel local, car toute cette eau s'accumule soudain au même endroit», explique Benedikt Soja. «Nous avons observé des changements significatifs dans la redistribution des masses au cours des dernières années en raison du changement climatique.»

Le champ gravitationnel de la Terre peut également être mesuré depuis le sol, mais seulement à certains endroits. «Il serait impossible d'utiliser des méthodes terrestres pour couvrir l'ensemble de la planète, y compris ses océans», explique le professeur. C'est pourquoi les mesures effectuées depuis l'espace sont si importantes. L'orbite d'un satellite étant en partie déterminée par la gravité, il suffit de déterminer la position précise de chaque satellite sur son orbite pour calculer l'attraction terrestre. «Cette méthode fonctionne, mais les résultats ne sont pas suffisamment détaillés pour les besoins de la science», explique Benedikt Soja. Heureusement, des informations plus précises sont désormais disponibles grâce aux satellites jumeaux de la mission GRACE-FO, qui fait suite à la paire de satellites GRACE lancée en 2002 et qui s'est depuis consumée dans l'atmosphère terrestre.

Les satellites jumeaux de GRACE-FO se suivent en orbite autour de la Terre, séparés d'environ 220 kilomètres. Des dispositifs de mesure à bord de chaque engin spatial contrôlent en permanence la distance qui les sépare. Lorsqu'ils passent au-dessus de zones à forte concentration de masse, l'anomalie gravitationnelle entraîne une modification de cette distance. Lors de la précédente mission GRACE, un système de télémétrie par micro-ondes avait permis de calculer les variations de la distance intersatellite avec une précision de l'ordre du micromètre par seconde. Mais la mission suivante a porté cette performance de suivi à un tout autre niveau : en utilisant un interféromètre de télémétrie laser, qui utilise des ondes lumineuses superposées d'une longueur d'onde plus courte, il fournit des mesures de l'ordre du nanomètre par seconde.

Élimination des interférences

Cependant, toutes les variations de l'orbite d'un satellite ne sont pas dues au champ de gravité de la Terre. À une altitude d'environ 500 kilomètres, l'espace n'est pas un vide parfait et les satellites sont constamment ralentis par les particules atmosphériques. Les variations du vent solaire peuvent également entraîner des changements d'orbite. Il a donc été décidé d'équiper les satellites GRACE-FO d'accéléromètres. «Ces appareils de mesure de haute précision nous permettent de déterminer tous les effets non gravitationnels, de sorte que nous pouvons être sûrs que nous ne mesurons que les accélérations causées par la gravité», explique Benedikt Soja.

Avec son groupe, il étudie la meilleure méthode de traitement des données provenant des accéléromètres pour s'assurer que tous les signaux indésirables sont éliminés. L'intelligence artificielle s'est avérée très utile dans ce contexte. «Avec les méthodes traditionnelles, il est difficile de trouver des corrélations dans d'énormes volumes de données, car on n'a parfois qu'une connaissance approximative des processus physiques», explique Benedikt Soja. «Mais des méthodes telles que l'apprentissage automatique permettent de repérer des modèles dans les données et donc d'extraire les informations les plus importantes de manière beaucoup plus efficace.» Les algorithmes développés par les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich ont jusqu'à présent donné des résultats jusqu'à 20% plus précis que ceux obtenus par la NASA à l'aide de méthodes conventionnelles.

L'accélération due à la gravité (g) est une mesure de la force du champ de gravité de la Terre, tandis que G est la constante gravitationnelle utilisée dans la loi de la gravitation universelle de Newton. «Big G est la constante naturelle la moins connue», explique Jürg Dual, professeur émérite de mécanique à l'ETH Zurich. Les scientifiques ont pu mesurer les autres constantes naturelles, comme la vitesse de la lumière, avec beaucoup plus de précision. «Le problème est que la gravité est beaucoup plus faible que toutes les autres forces fondamentales», explique Jürg Dual. «Il est donc très difficile de déterminer la constante gravitationnelle par des moyens expérimentaux.»

Expériences avec la résonance

Travaillant dans ce qui était autrefois une forteresse militaire dans les Alpes suisses, où ils sont à l'abri du bruit et des variations de température, Jürg Dual et son groupe de recherche développent une nouvelle méthode de mesure de la constante gravitationnelle. «Contrairement aux expériences précédentes, la nôtre repose sur un système dynamique plutôt que statique», explique-t-il. Le dispositif expérimental consiste en deux chambres à vide isolées mécaniquement l'une de l'autre. Dans l'une des chambres, deux tiges tournent à une fréquence définie, ce qui fait vibrer une poutre dans la seconde chambre sous l'effet de la force gravitationnelle. Au cœur de cette expérience se trouve le phénomène de résonance, qui amplifie les vibrations à un point tel qu'elles peuvent être mesurées par un interféromètre laser. En s'appuyant sur de nombreuses connaissances théoriques, les chercheurs et chercheuses peuvent utiliser ces minuscules oscillations pour calculer la constante gravitationnelle.

Les expériences conventionnelles ont encore l'avantage en termes de précision, mais depuis les premières tentatives, les chercheurs et chercheuses ont pu augmenter la précision de leurs mesures de manière significative. «C'est là que les choses deviennent passionnantes, car notre système dynamique nous permet d'explorer de nouveaux types de questions auxquelles les expériences statiques sont incapables de répondre», explique Jürg Dual. Contrairement aux attentes, n'y aurait-il pas une interaction mutuelle entre la gravité et les autres forces fondamentales ? Et l'hypothèse généralement admise selon laquelle nous ne pouvons pas blinder la gravité est-elle vraiment vraie ? Les scientifiques de l'ETH Zurich espèrent le vérifier en suspendant de grandes plaques métalliques entre les deux chambres à vide, sans rien changer au reste. «Si nous constatons un quelconque effet, ce serait assez révolutionnaire», déclare Jürg Dual. En effet, une telle découverte pourrait même nous obliger à repenser certains des modèles que nous utilisons pour décrire l'univers et son évolution.