Einstein vérifier – Expériences de précision avec des lasers dans l'espace

Module spatial de haute performance : Laser à diode à cavité étendue micro-intégré (ECDL) pour la spectroscopie des atomes de rubidium dans l'espace. Des tests à bord de la fusée de recherche en altitude FOKUS ont été réalisés le 23.4.2015. L'objectif est de démontrer si différents types d'horloges dans l'espace fonctionnent réellement de la même manière, comme l'a affirmé Einstein. (© FBH/P.Immerz)

Selon Albert Einstein, les horloges deviennent d'autant plus lentes qu'elles se trouvent plus profondément dans le potentiel gravitationnel d'une masse – c'est-à-dire plus près, par exemple, d'un corps céleste. Cet effet est appelé décalage gravitationnel vers le rouge dans le cadre de la théorie de la relativité générale – il se manifeste par un déplacement des raies spectrales vers l'extrémité rouge du spectre. La théorie de la relativité générale prévoit également que le fonctionnement de toutes les horloges est influencé de la même manière par la gravitation, indépendamment de leur réalisation physique ou technique. Cependant, des théories plus récentes de la gravitation laissent supposer que la nature de l'horloge peut effectivement influencer la force du décalage gravitationnel vers le rouge.

Pour tester cela, différents types d'horloges ont été envoyés dans l'espace à l'aide d'une fusée d'altitude financée par le Centre allemand pour l'aéronautique et l'espace (DLR) dans le cadre du projet FOKUS, puis ramenés. Les conditions y sont idéales pour les tests, car le potentiel gravitationnel y varie de façon particulièrement forte. Il est ainsi possible de vérifier si le fonctionnement des horloges diffère réellement – et finalement, si l'une des théories gravitationnelles modernes offre une description plus précise qu'Einstein. Les premières expériences dans l'espace ont été menées avec succès : une équipe de scientifiques a lancé dans l'espace un oscillateur à quartz très stable, qui "tictaque" comme une montre moderne dans la gamme de radiofréquences, ainsi qu'un système laser complet pour la comparaison. Le cœur du système laser est un module laser semi-conducteur microintégré, développé, construit et testé à l'Institut Ferdinand-Braun de Berlin, institut Leibniz pour la haute fréquence (FBH). L'intégration globale du système laser a été réalisée à l'Université Humboldt de Berlin. La fréquence du laser à semi-conducteur est stabilisée sur une transition atomique du rubidium dans un module développé par l'Université de Hambourg. Ces atomes de rubidium, combinés aux lasers, forment une "horloge atomique optique" qui fonctionne selon un principe différent de celui de l'horloge à quartz et qui "tictaque" environ dix millions de fois plus vite. Pour comparer le fonctionnement des deux horloges, un spectre de fréquence optique développé par la société Menlo Systems est utilisé.

Les scientifiques ont démontré pour la première fois avec ces tests que ces "horloges atomiques optiques" et les systèmes laser nécessaires peuvent être utilisés dans l'espace pour tester le décalage gravitationnel vers le rouge et d'autres mesures de précision. Grâce à cette démonstration technologique exigeante, ils ont également posé les bases technologiques pour tester le principe d'équivalence d'Einstein avec des interféromètres atomiques au potassium et au rubidium dans le cadre du projet MAIUS. MAIUS fait partie de la mission QUANTUS financée par le DLR, qui vise à développer de nouvelles technologies en physique quantique permettant de refroidir, piéger et manipuler des atomes. La miniaturisation supplémentaire des modules laser doit également être poursuivie, ainsi que le test d’un capteur quantique entièrement automatisé dans l’espace. L’objectif à long terme est de vérifier le principe d’équivalence d’Einstein, selon lequel tous les corps tombent "aussi vite" dans un potentiel gravitationnel.

Modules laser à diodes compacts et extrêmement robustes du FBH pour l’espace

De nombreux expériences en chute libre menées au Centre pour la technologie spatiale appliquée et la microgravité (ZARM) à Brême ont préparé cette expérience sophistiquée dans l’espace. Le module laser a été réalisé à l’Institut Ferdinand-Braun dans le cadre du laboratoire commun Laser Métrologie avec le groupe de métrologie optique de l'Université Humboldt de Berlin. Ce laboratoire commun étudie et développe depuis longtemps des modules laser à semi-conducteur ultra-précis et extrêmement compacts pour une utilisation dans l’espace. Leur pièce maîtresse est un laser DFB (distributed feedback), qui émet de la lumière dans une gamme de fréquences ou de longueurs d’onde très étroite. Cette spectrale étroitesse est une des exigences centrales pour le module laser, qui est nécessaire pour la spectroscopie des atomes de rubidium et donc pour des mesures de précision. Grâce à une technologie d’hybride de microintégration unique au monde, la puce laser à diode est intégrée avec des composants électroniques et optiques dans une structure extrêmement compacte, adaptée aux fusées. Enfin, ces modules, qui ne mesurent que la taille d’une paume de main, doivent fonctionner sans problème dans les conditions extrêmes de l’espace. Lors du lancement, ils sont soumis à de fortes contraintes mécaniques, avec des accélérations jusqu’à huit fois celles de la gravité terrestre. "Notre technologie d’intégration permet également de supporter des accélérations jusqu’à 30 fois celles de la gravité terrestre", explique le Dr Andreas Wicht, responsable du groupe de métrologie laser au FBH, qui estime que cette technologie est bien préparée pour répondre aux exigences futures. "Nous travaillons également sur des lasers à bande spectrale encore plus étroite, avec un amplificateur optique intégré hybride, qui conviennent parfaitement à des expériences encore plus complexes." Ainsi, le FBH renforce ses compétences dans le domaine des mesures de précision optiques et spectroscopiques, parmi les méthodes de mesure les plus précises et exactes de notre époque, ouvrant la voie à de nouvelles applications.