Un vaisseau spatial volant en formation pourrait sonder le système solaire à la recherche d’une nouvelle physique

C’est une période passionnante pour les domaines de l’astronomie, de l’astrophysique et de la cosmologie. Grâce à des observatoires, des instruments et de nouvelles techniques de pointe, les scientifiques se rapprochent de la vérification expérimentale de théories qui restent largement non testées. Ces théories répondent à certaines des questions les plus urgentes que se posent les scientifiques sur l’univers et les lois physiques qui le régissent, comme la nature de la gravité, de la matière noire et de l’énergie noire.

Pendant des décennies, les scientifiques ont postulé soit qu’une physique supplémentaire était à l’œuvre, soit que notre modèle cosmologique prédominant devait être révisé.

Tandis que les recherches sur l’existence et la nature de la matière noire et de l’énergie noire se poursuivent, des tentatives sont également menées pour résoudre ces mystères grâce à l’existence possible d’une nouvelle physique. Dans un papier, une équipe de chercheurs de la NASA a proposé comment les vaisseaux spatiaux pourraient rechercher des preuves physiques supplémentaires au sein de nos systèmes solaires. Cette recherche, affirment-ils, serait facilitée par le vaisseau spatial volant en formation tétraédrique et utilisant des interféromètres. Une telle mission pourrait aider à résoudre un mystère cosmologique qui échappe aux scientifiques depuis plus d’un demi-siècle.

La proposition est l’œuvre de Slava G. Turyshev, professeur adjoint de physique et d’astronomie à l’université de Californie à Los Angeles (UCLA) et chercheur scientifique au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Il a été rejoint par Sheng-wey Chiow, physicien expérimental au NASA JPL, et Nan Yu, professeur adjoint à l’université de Caroline du Sud et chercheur scientifique principal au NASA JPL.

Leur document de recherche est apparu en ligne et a été accepté pour publication dans Examen physique D.

L’expérience de Turyshev inclut le fait d’être membre de l’équipe scientifique de la mission Gravity Recovery And Interior Laboratory (GRAIL). Dans des travaux antérieurs, Turyshev et ses collègues ont étudié comment une mission vers la lentille gravitationnelle solaire (SGL) du Soleil pourrait révolutionner l’astronomie. Dans une étude précédente, lui et l’astronome Claudio Maccone du SETI ont également étudié comment les civilisations avancées pourraient utiliser les SGL pour transmettre de l’énergie d’un système solaire à l’autre.

Pour résumer, la lentille gravitationnelle est un phénomène dans lequel les champs gravitationnels modifient la courbure de l’espace-temps à proximité. Cet effet a été initialement prédit par Einstein en 1916 et a été utilisé par Arthur Eddington en 1919 pour confirmer sa relativité générale (GR). Cependant, entre les années 1960 et 1990, les observations des courbes de rotation des galaxies et de l’expansion de l’univers ont donné naissance à de nouvelles théories sur la nature de la gravité à de plus grandes échelles cosmiques. D’une part, les scientifiques ont postulé l’existence de matière noire et d’énergie noire pour concilier leurs observations avec la GR.

D’autre part, les scientifiques ont avancé des théories alternatives de la gravité (telles que la dynamique newtonienne modifiée (MOND), la gravité modifiée (MOG), etc.). Pendant ce temps, d’autres ont suggéré qu’il pourrait y avoir d’autres phénomènes physiques dans le cosmos dont nous n’avons pas encore connaissance.

Comme Turyshev l’a déclaré à Universe Today par courrier électronique : « Nous sommes impatients d’explorer les questions entourant les mystères de l’énergie noire et de la matière noire. Malgré leur découverte au siècle dernier, leurs causes sous-jacentes restent insaisissables. Ces « anomalies » devraient-elles provenir d’une nouvelle physique – phénomènes ? encore à observer dans des laboratoires au sol ou dans des accélérateurs de particules – il est possible que cette nouvelle force se manifeste à l’échelle du système solaire. »

Pour leur dernière étude, Turyshev et ses collègues ont étudié comment une série de vaisseaux spatiaux volant dans une formation tétraédrique pourrait étudier le champ gravitationnel du Soleil. Ces recherches, a déclaré Turyshev, chercheraient à déceler des écarts par rapport aux prévisions de la relativité générale à l’échelle du système solaire, ce qui n’a pas été possible jusqu’à présent.

« On suppose que ces écarts se manifestent sous la forme d’éléments non nuls dans le tenseur du gradient de gravité (GGT), fondamentalement semblable à une solution de l’équation de Poisson. En raison de leur nature minuscule, la détection de ces écarts exige une précision dépassant de loin les capacités actuelles – d’au moins cinq ordres. d’ampleur. À un niveau de précision aussi élevé, de nombreux effets bien connus introduiront un bruit important. La stratégie consiste à effectuer des mesures différentielles pour annuler l’impact des forces connues, révélant ainsi les contributions subtiles, mais non nulles, au GGT.

La mission, a déclaré Turyshev, utiliserait des techniques de mesure locales reposant sur une série d’interféromètres. Cela inclut la télémétrie laser interférométrique, une technique démontrée par la mission GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On), une paire de vaisseaux spatiaux qui s’appuie sur la télémétrie laser pour suivre les océans, les glaciers, les rivières et les eaux de surface de la Terre. La même technique sera également utilisée pour étudier les ondes gravitationnelles par l’antenne spatiale d’interférométrie laser (LISA) proposée.

Le vaisseau spatial sera également équipé d’interféromètres atomiques, qui utilisent le caractère ondulatoire des atomes pour mesurer la différence de phase entre les ondes de matière atomique le long de différents chemins. Cette technique permettra au vaisseau spatial de détecter la présence de bruits non gravitationnels (activité du propulseur, pression du rayonnement solaire, forces de recul thermique, etc.) et de les annuler dans la mesure nécessaire. Pendant ce temps, voler en formation tétraédrique optimisera la capacité du vaisseau spatial à comparer les mesures.

« La télémétrie laser nous offrira des données très précises sur les distances et les vitesses relatives entre les vaisseaux spatiaux », a déclaré Turyshev. « De plus, sa précision exceptionnelle nous permettra de mesurer la rotation d’une formation tétraédrique par rapport à un référentiel inertiel (via les observables de Sagnac), une tâche irréalisable par tout autre moyen. Par conséquent, cela permettra d’établir une formation tétraédrique exploitant une suite de paramètres locaux. des mesures. »

A terme, cette mission testera la GR à la plus petite des échelles, ce qui fait cruellement défaut jusqu’à présent. Alors que les scientifiques continuent d’étudier l’effet des champs gravitationnels sur l’espace-temps, ceux-ci se limitent en grande partie à l’utilisation de galaxies et d’amas de galaxies comme lentilles. D’autres exemples incluent l’observation d’objets compacts (comme les étoiles naines blanches) et de trous noirs supermassifs (SMBH) comme Sagittarius A*, qui réside au centre de la Voie lactée.

« Nous visons à améliorer la précision des tests de GR et des théories gravitationnelles alternatives de plus de cinq ordres de grandeur. Au-delà de cet objectif principal, notre mission a des objectifs scientifiques supplémentaires, que nous détaillerons dans notre prochain article. Ceux-ci incluent le test de GR et d’autres théories gravitationnelles. théories, détectant les ondes gravitationnelles dans la gamme des micro-Hertz – un spectre non accessible par les instruments existants ou envisagés – et explorant des aspects du système solaire, tels que l’hypothétique planète 9, entre autres efforts.