Les tests de la loi de gravité à grande échelle et l`anomalie
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Les tests de la loi de gravité à grande échelle et l'anomalie Pioneer Serge REYNAUD www.lkb.ens.fr , www.lkb.upmc.fr [email protected] Le contexte scientifique Les tests expérimentaux des lois de la gravité sont en bon accord avec la Relativité Générale (RG) Mais des fenêtres restent ouvertes pour des déviations (faibles) à des échelles grandes ou petites Et tous les modèles d’unification avec la Théorie Quantique prédisent l’existence de telles déviations La “matière noire” et l’ “énergie noire” sont introduites pour corriger des défauts dans les observations gravitationnelles aux échelles galactiques et cosmiques Tant qu’elles ne sont pas observées par d’autres canaux, elles peuvent également être interprétées comme des modifications des lois de la gravité à grande échelle La Relativité Générale (en deux planches) La Relativité Générale (en deux planches) Gravitation ↔ métrique dans l’espace-temps Equation d’Einstein-Hilbert : Couplage entre la matière (le tenseur énergie-impulsion) et l’espace-temps (la métrique) – le principe d’équivalence comme fondement géométrique – les horloges idéales (atomiques) mesurent un temps propre le long de la trajectoire – les masses en chute libre et les rayons lumineux suivent des géodésiques Un des principes les mieux testés en physique : – la chute libre de masses avec ≠ compositions coïncident à quelques 10-13 ; cette précision est réalisée en labo aussi bien que dans l’espace (Laser-Lune) – des horloges atomiques sur ≠ transitions donnent le même temps à quelques 10-16 par an – En RG, le tenseur de courbure d’Einstein est directement proportionnel au tenseur énergie-impulsion Dans un modèle simple où le Soleil est une source ponctuelle immobile et en utilisant des coordonnées spatiales isotropes on obtient la solution, écrite ici comme une série de Taylor du potentiel de Newton Précisions améliorées prochainement : MICROSCOPE & ACES Le cadre “PPN” Le cadre “cinquième force” Les tests sont souvent analysés dans la famille particulière des extensions “Paramétrisées Post-Newtoniennes” (PPN) Une étude systématique de la variation du potentiel On cherche un potentiel de Yukawa superposé au potentiel de Newton Propagation de la lumière (récemment Cassini) En utilisant aussi les planètes et le Laser-Lune Les tests préfèrent la RG … dans la famille PPN C.F. Will, Living Reviews in Relativity (2001, mise à jour régulière en ligne) Géophysique Laboratoire Les tests préfèrent la RG (dans la famille Yukawa) mais … des fenêtres restent ouvertes pour des déviations à courte distance ou à longue distance log10α Les comparaisons entre observations et prédictions sont exprimées comme des contraintes sur les paramètres PPN Satellites log10λ (m) LLR Planétaires Crédit : J. Coy, E. Fischbach, R. Hellings, C. Talmadge, and E. M. Standish (2003) The Search for Non-Newtonian Gravity, E. Fischbach & C. Talmadge (1998) THE DEEP DEEP SPACE SPACE GRAVITY GRAVITY PROBE PROBE SCIENCE SCIENCE TEAM TEAM Le test de THE plus grande échelle jamais réalisé… Tests à longue distance > 100 UA ? 70-90 UA Un test de la gravité a été effectué par les sondes Pioneer 10 & 11 pendant leurs “missions étendues” décidées par la NASA après que leurs missions planétaires premières aient été atteintes ≈ 200 UA Pioneer 10: pre-launch testing Courtesy : JPL @ NASA S. Turyshev Pioneer 10/11 étaient des sondes « rustiques » avec une excellente précision de navigation … ¾ Sensibilité en accélération ~ 0.1 nm/s2 (50 fois moins bien pour Voyager) J. Anderson et al, PRD (2002) …n’a pas confirmé les lois connues ! THE THE DEEP DEEP SPACE SPACE GRAVITY GRAVITY PROBE PROBE SCIENCE SCIENCE TEAM TEAM THE THE DEEP DEEP SPACE SPACE GRAVITY GRAVITY PROBE PROBE SCIENCE SCIENCE TEAM TEAM Detection of the Anomaly Anomalous acceleration Search for unmodeled accelerations started in 1979: Pioneer 11 from the modeled one varying ~ linearly with time Vitesse Doppler en mm/s Pioneer 10 Deviation of the observed velocity 1 Hz est équivalent à 65 mm/s Anomalous acceleration 0.1 nm s2 – the solar-radiation pressure from the Sun was ~ 0.5 nm/s Detection of the anomaly by JPL orbit determination in 1980 – The analysis found a constant bias in the acceleration residuals aP ~ (0.8 ± 0.3) nm/s2 towards the Sun J. Anderson et al, PRL 81 (1998) 2858 Interpreted as an anomalous acceleration 1998.8 1987 J. Anderson et al, PRD 65 (2002) 082004 THE THE DEEP DEEP SPACE SPACE GRAVITY GRAVITY PROBE PROBE SCIENCE SCIENCE TEAM TEAM THE THE DEEP DEEP SPACE SPACE GRAVITY GRAVITY PROBE PROBE SCIENCE SCIENCE TEAM TEAM Detailed Analysis by NASA (1980-2002) A Drag Through Dust ? J. Anderson et al, Phys. Rev. D 65 (2002) 082004 – On-board systematic & other hardware-related mechanisms: ● Precessional attitude control maneuvers and associated “gas leaks” ● Nominal thermal radiation due to 238Pu decay [half life 87.75 years] Nieto et al, Physics Letters B 613 (2005) 11–19 Interplanetary Medium – A thinly scattered matter (neutral Hydrogen, microscopic particles) with two main contributions: – Interplanetary Dust (IPD): ● ● Heat rejection mechanisms from within the spacecraft ● Hardware problems at the DSN tracking stations Hot-wind plasma (mainly protons and electrons) distributed within the Kuiper Belt starting from 30 to 100 AU ● – Examples of the external effects: is a modeled density, as suggested in Man, Kimura, J. Geophys. Res. A105, 10317 (2000); – Interstellar Dust (ISD): ● Solar radiation pressure, solar wind, interplanetary medium, dust ● Drag force due to mass distributions in the outer solar system ● ● Gravity from the Kuiper belt; gravity from the Galaxy ● Fractions of interstellar dust (characterized by greater impact velocity); was directly measured by the Ulysses spacecraft ● Gravity from Dark Matter distributed in halo around the solar system ● Errors in the planetary ephemeris, in the Earth Orientation Parameters, precession, and nutation – Phenomenological time models: ● Drifting clocks, quadratic time augmentation, uniform carrier frequency drift, effect due to finite speed of gravity, and many others All the above were rejected as explanations Effect on the Pioneers – The drag on a spacecraft is given by: – One needs an axially-symmetric dust distribution within 20 and 70 AU with a constant uniform and unreasonably high density of Dust can hardly be the origin of the Pioneer Anomaly THE THE DEEP DEEP SPACE SPACE GRAVITY GRAVITY PROBE PROBE SCIENCE SCIENCE TEAM TEAM Un cadre métrique « post-Einsteinien » The thermal issue Initial analysis at JPL (PRD 2002 paper) : On préserve l’interprétation métrique de la gravitation, avec un couplage qui peut être différent de celui de la RG – Effect considered too small – Exponential decrease not seen ¾ modifications induites par exemple par les “corrections radiatives” de la RG dues au couplage avec les champs quantiques (en particulier “gravité du vide”) Problem now reevaluated : – New thermal models of the probe – Telemetry data recovered and analysed La métrique dans le système solaire est alors (un peu) modifiée Current status : Thermal budget is a source of concern Reanalysis is going on 1987 On peut considérer qu’on étend le cadre PPN avec les constantes β et γ devenues des fonctions de r … … ou qu’on cherche une dépendance d’échelle sur les deux composantes de la métrique (et pas seulement ) 1998.8 2001 M.T. Jaekel & S. Reynaud, Classical and Quantum Gravity (2006) Les deux “secteurs” Le statut actuel Premier secteur : modification de la composante temporelle – Une “cinquième force” agissant sur les mouvements matériels – Fortement contrainte par les tests planétaire – Mais la déviation pourrait apparaître Voir par exemple J. Moffat, seulement après Saturne … Classical and Quantum Gravity 23 (2006) 6767 Second secteur : modification de la composante spatiale – Affecte la propagation de la lumière, comme un paramètre γ qui dépendrait de la distance héliocentrique – Effet petit sur les mouvements matériels (en particulier sur les orbites circulaires ou presque circulaires) – Produit une anomalie Pioneer sur les mouvement quasi-radiaux dans le système solaire externe – Induit des anomalies modulées … M.-T. Jaekel, S. Reynaud, Classical and Quantum Gravity 23 (2006) 7561 La présence d’une anomalie est certaine, son origine reste une énigme Peut-être un artefact ? Æ Le bilan thermique ? Quelques perspectives Continuer la théorie Réanalyser les données Observer des anomalies corrélées (ou ne pas les observer alors qu’on devrait les observer) Proposer une mission dédiée ou des instruments embarqués sur une mission planétaire Pioneer 10 vu récemment depuis Arecibo (le signal cohérent est perdu) Une autre énigme : l’anomalie de flyby Analyse du suivi Doppler Observations par la NASA de ΔV en excès dans les vitesses post-rebond après une assistance gravitationnelle sur la Terre (EGA) Un signal radio est envoyé d’une station terrestre vers la sonde, reçu et renvoyé par la sonde (transpondeur), puis finalement reçu par une station (la même=2-way ; une autre=3-way) Galileo δ(ΔV)=4mm/s Vitesse L’observable est le rapport des fréquences, interprété comme une vitesse Doppler, mais en tenant compte de tous les effets relativistes et gravitationnels Range NEAR δ(ΔV)=14mm/s P.G. Antreasian and J.R. Guinn AIAA 1998 C. Lämmerzahl et al, arXiv:gr-qc/0604052 J. Anderson et al, Phys. Rev. Lett. (2008) Transpondeur × 240 221 Elle doit de plus être corrigée des effets de propagation, des mouvements des stations…. Aussi observé par l’ESA sur Rosetta (2005) Décalage Doppler sur Pioneer Décalage Doppler sur Pioneer 2 Way en rouge et 3 Way en bleu - Trait noir: éphéméride Horizon (NASA) Données 2 way station DSN 43 Camberra Trait noir: éphéméride Horizon (NASA) Mouvement orbital de la Terre et de la sonde Traitement des données : Agnès Lévy et al Bande S ≈2,11 GHz ~ 860000 Hz Long : 148.9813° Lat : -35.4025° Alt : 694.83m Mouvement diurne de la station ~ 6000 Hz Traitement des données : Agnès Lévy et al Ré-analyse des données Pioneer 10 Analyse des données Pioneer 10 Résidu = « Observé – Calculé » Calculé avec RG RG + accélération constante ~ 3Hz J. Anderson et al, Phys. Rev. D 65 (2002) 082004 La présence de l’anomalie est confirmée, sur les mêmes données, par un logiciel indépendant A. Levy, B. Christophe, P. Berio, G. Metris, J.-M. Courty, S. Reynaud Advances in Space Research doi:10.1016/j.asr.2009.01.003 Analyse spectrale des résidus RG + accélération constante Date (year) Date (year) Anomalie caractérisée par la large réduction des résidus Structures périodiques visibles dans les résidus Æ Analyse spectrale Le modèle géométrique RG + accélération constante + termes périodiques σ = 9,8 mHz σ = 9,8 mHz Residuals (mHz) σ = 35,2 mHz ϕ est la différence ϕA- ϕP des angles azimuthaux de l’antenne sur Terre et de Pioneer Il décrit les mouvements diurne et annuel de l’antenne sur Terre σ = 5,5 mHz Les termes cos(ϕ), sin(ϕ), cos(2ϕ), sin(2ϕ) sont suffisants pour réduire les données ϕ Ces résultats suggèrent qu’il y a un effet anormal sur la propagation du lien radio entre l’antenne sur Terre et Pioneer Period (day-1) Period (day-1) Réduction significative de la variance des résidus, ainsi que de toutes les signatures spectrales A. Levy, B. Christophe, P. Berio, G. Metris, J.-M. Courty, S. Reynaud, Advances in Space Research 43 (2009) 1538 Et donc que l’anomalie ne peut être entièrement expliquée par un effet de force sur la sonde A. Levy et al, Advances in Space Research 43 (2009) 1538 Projet ODYSSEY (PI Bruno Christophe) Vers de nouveaux tests ? Suivi des sondes par radionavigation + mesure des accélérations non gravitationnelles Option ENIGMA (ZARM): Sonde lâchée @ Saturne Peut voler jusqu’à 50-100 UA Scénario de base: Accéléromètre électrostatique Lien radio-science Distance limitée à 13 UA Etude de phase 0 au CNES Doppler ou range champ de gravité Plusieurs options en projet ou en étude Solar System ODYSSEY Mission ; General Presentation – 20-04-2007 sonde avec accéléromètre Objectifs Scientifiques: Tests de la gravité Investigation des flybys Objectifs Scientifiques : Tests de la gravité jusqu’à 50 AU Investigation de la ceinture de Kuiper B. Christophe et al, Experimental Astronomy (2009) Gravity Advanced Package (PI Bruno Christophe) Projet SAGAS (PI Peter Wolf) (Search for Anomalous Gravitation with Atomic Sensors) Un instrument conçu pour pouvoir être embarqué sur une mission planétaire down up Distance = up + down Horloge = up - down µSTAR : un accéléromètre électrostatique miniaturisé à faible consommation Volume = 3 l Masse = 3 kg Consommation = 3 W Solar System ODYSSEY Mission ; General Presentation – 20-04-2007 Exploration de la Gravité dans le Système Solaire Externe avec des Senseurs Quantiques: - horloge optique (atomes froids) - accéléromètre atomique (atomes froids) - lien laser Objectifs Scientifiques: Tests de la gravité Investigation des flybys Mesure du décalage gravitationnel des horloges Recherche d'ondes gravitationnelles à basse fréquence (0.01-1mHz) Exploration de la ceinture de Kuiper … Objectif pour tester la gravité : précision de 50 pm/s² sur [0;0,1mHz] Développement en cours à l’ONERA : Réjection du biais par retournement périodique de l’instrument « Package » proposé pour la mission planétaire EJSM qui pourrait être sélectionnée pour Cosmic Vision A traiter : contraintes d’intégration, effet de la self-gravité … P. Wolf et al, Experimental Astronomy (2009) Intérêt scientifique Avec l’accéléromètre à bord Merci pour votre attention Collaborations 9 On dispose d’une observable inertielle (à quel point le satellite suit-elle une géodésique ?) “Pioneer Anomaly Explorer” Hansjorg Dittus et al 9 On se débarrasse des incertitudes des modèles (on mesure les forces non gravitationnelles !) “Investigation of the Pioneer Anomaly @ ISSI” Grand intérêt pour la physique fondamentale : 9 test de la loi de gravité lors des phases de croisière avec une précision et une fiabilité nettement améliorées 9 confirmation ou infirmation de l’existence d’anomalies lors des rebonds gravitationnels Informations précieuses sur les objets visités : 9 champ de gravité des planètes et de leurs lunes 9 étude de leurs environnements (aéronomie …) Slava Turyshev et al “Deep Space Gravity Tests“ Serge Reynaud et al “ODYSSEY” Bruno Christophe et al “SAGAS” Peter Wolf et al “GAP sur EJSM” Bruno Christophe et al “Groupe Anomalie Pioneer” www.lkb.ens.fr/-GAP ISSI site http://www.issi.unibe.ch/teams/Pioneer/ [email protected] A positive recommendation issued by ESA Advisory Groups (oct 2007) FPAG discussed the potential use an accelerometer on a future Solar-System mission for Fundamental Physics measurements, similarly to the one included in the Odyssey proposal for a dedicated mission. The inclusion of an accelerometer, similar to that implemented on the CHAMP, GRACE and GOCE missions, would facilitate the direct measurement of nongravitational forces on the spacecraft. This could enable the study of gravity on interplanetary scales, depending on the spacecraft trajectory. It could also enable Eddington’s parameter to be measured more accurately and a deeper understanding to be gained of planetary fly-by anomalies. Some performance improvements would be required, but these would also benefit navigation and tracking of future missions. Such an accelerometer would not be expected to place substantial demands on the spacecraft mass, power, or volume budgets… Although there are some technological hurdles to realisation of this scheme (such as the development of a space qualified bias calibration system), it promises a relatively high scientific yield for the investment. FPAG therefore recommends that the feasibility of inclusion of such an accelerometer in suitable missions be fully explored at an early stage of mission development.
