La puissance de la force naturelle la plus faible
La gravité maintient la Terre sur son orbite et nous sur le sol. Depuis l'espace, les satellites déterminent l'accélération due à la force gravitationnelle de la Terre.
Lorsqu'en mai 2018, une fusée Falcon 9 a décollé de la rampe de lancement de Vandenberg, en Californie, Benedikt Soja était sur place et a observé la scène avec fascination. Le chercheur travaillait alors pour la NASA, qui a envoyé deux satellites dans l'espace en collaboration avec le Centre allemand de recherche géologique de Potsdam (GFZ). Aujourd'hui, Soja est professeur de géodésie spatiale au Département de génie civil, environnemental et géomatique de l'ETH Zurich et exploite avec son équipe les données de cette paire de satellites. "La mission appelée GRACE Follow-On nous permet de mesurer le champ de gravité de la Terre avec une précision particulière", explique le chercheur. "Cela permet de conna?tre l'accélération de la pesanteur en tout point du globe".
La gravité fait en sorte que les objets tombent toujours vers le bas et que la Terre reste à une distance raisonnable du soleil pour que la vie puisse s'épanouir. Mais la force d'attraction n'agit pas avec la même intensité partout sur notre planète, car la Terre n'est pas une sphère parfaite. Le champ de gravité terrestre varie en fonction de la masse présente à un endroit donné. Inversement, la mesure de la gravité permet de tirer des conclusions sur la répartition de la masse.
Suivre le changement climatique
"Les mesures par satellite permettent aux chercheurs de déterminer comment les calottes glaciaires du Groenland ou de l'Antarctique fondent ou comment certaines nappes phréatiques de Californie ou d'Inde se réduisent en raison de la sécheresse. "Même en cas de fortes pluies, on constate une nette modification du champ de gravité, car beaucoup d'eau s'est accumulée là où il y en a normalement moins", explique Soja : "Avec le changement climatique, ces répartitions de masse ont changé de manière significative au cours des dernières années".
Il est certes possible de mesurer le champ de gravité terrestre depuis le sol, mais seulement de manière ponctuelle. "On ne pourra jamais couvrir ainsi toute la Terre et ses océans", explique Soja. D'où les mesures effectuées depuis l'espace. L'orbite de chaque satellite étant influencée par le champ de gravité, il est possible de calculer l'accélération de la Terre uniquement en déterminant avec précision la position le long de l'orbite. "Cette méthode n'est toutefois pas assez précise pour permettre d'obtenir des détails intéressants sur le plan scientifique", explique le chercheur. Il en va autrement avec la paire de satellites GRACE Follow-On, une mission qui succède aux satellites jumeaux GRACE lancés en 2002 et qui se sont entre-temps consumés dans l'atmosphère terrestre.
Un satellite vole devant, l'autre le suit à une distance d'environ 220 kilomètres. Un système de mesure embarqué détermine en permanence la distance entre les deux satellites. Celle-ci évolue avec le temps en raison du déplacement des masses sur la Terre. Un interféromètre laser destiné à la mesure de la distance permet de déterminer le changement de distance avec une précision de l'ordre du nanomètre par seconde.
?liminer les perturbations
Mais toutes les modifications de l'orbite du satellite ne sont pas causées par le champ de gravité terrestre. En orbite à environ 500 kilomètres d'altitude, le vide absolu n'existe pas, les satellites sont toujours freinés par des particules atmosphériques. Le vent solaire peut également entra?ner de petites modifications de l'orbite. C'est pourquoi les satellites ont été équipés de capteurs d'accélération. "Ces capteurs de haute précision nous permettent de déterminer tous les effets qui n'ont rien à voir avec la gravité", explique Soja. "Il est ainsi possible de ne mesurer vraiment que le champ de gravité en soi".
Scientifica 2023
- Exploration de la gravité.page externeStand d'exposition. Institut de géodésie et de photogrammétrie, ETH..
Avec son groupe, il étudie la meilleure fa?on de traiter les données des accéléromètres afin d'éliminer tous les signaux indésirables. Pour ce faire, l'équipe mise sur l'intelligence artificielle. "Avec les méthodes classiques, il est souvent difficile de trouver des corrélations dans les énormes quantités de données", explique Soja. "En revanche, des approches comme l'apprentissage automatique permettent de reconna?tre des modèles dans les données et d'extraire ainsi efficacement les relations les plus importantes". Gr?ce à leurs algorithmes, les chercheurs de l'ETH obtiennent des résultats jusqu'à 20 pour cent plus précis que la NASA avec les méthodes traditionnelles.
L'accélération de la pesanteur g indique l'intensité du champ de gravité de la Terre. La constante gravitationnelle universelle G, en revanche, appara?t dans la loi de Newton sur la gravitation. "C'est la constante naturelle la plus mal connue", explique Jürg Dual, professeur émérite de mécanique à l'ETH. Les valeurs de toutes les autres constantes naturelles, comme la vitesse de la lumière, ont pu être mesurées avec beaucoup plus de précision. "La gravité est très faible par rapport aux autres forces fondamentales de la nature", explique Dual. "C'est pourquoi les expériences visant à déterminer la constante gravitationnelle sont si difficiles".
L'astuce de la résonance
Dans l'ancienne forteresse militaire de Furggels près de Bad Ragaz, à l'abri du bruit et des variations de température, Dual et son groupe de recherche déterminent la constante gravitationnelle avec une nouvelle méthode. "Notre expérience est dynamique au lieu d'être statique comme les précédentes", explique le chercheur. Le dispositif expérimental se compose de deux chambres à vide isolées mécaniquement l'une de l'autre. Dans l'une des chambres, deux états-majors tournent à une fréquence prédéfinie et font vibrer un état-major dans la deuxième chambre sous l'effet de la force de gravitation. Les chercheurs utilisent le phénomène de résonance, qui permet d'amplifier les vibrations jusqu'à ce qu'elles soient mesurables avec des interféromètres à laser. Les minuscules déviations permettent de calculer la constante gravitationnelle avec beaucoup de connaissances théoriques.
La méthode est encore moins précise que les expériences traditionnelles, mais après les premiers essais, les chercheurs ont déjà pu améliorer considérablement la précision de leurs mesures. "Maintenant, les choses commencent à devenir passionnantes", explique Dual. "Car l'approche dynamique nous permet d'aborder de nouvelles questions". Existe-t-il peut-être, contre toute attente, une interaction entre la pesanteur et les autres forces de la nature ? Et est-il vrai, comme on le pense généralement, que la gravitation ne peut pas être protégée ? C'est ce que les chercheurs de l'ETH vont maintenant vérifier en suspendant de grandes plaques métalliques entre les deux chambres à vide, mais en laissant tout le reste inchangé. "Si nous voyions un effet, ce serait assez révolutionnaire", déclare Dual. Car il faudrait alors éventuellement réviser certains modèles décrivant l'univers et son évolution.
Vers les personnes
Benedikt Soja est professeur de géodésie spatiale au Département de génie civil, environnement et géomatique de l'ETH Zurich.
Jürg Dual est professeur émérite de mécanique et de dynamique expérimentale à l'ETH Zurich.
"Globe" Ce qui fait tenir le monde
Ce texte a été publié dans le numéro 23/03 du magazine de l'ETH. Globe est apparu.