L'Europe et Smart 1 autour de la Lune

17/11/04

    C'est après avoir effectué 332 orbites autour de la Terre en parcourant 84 millions de km et après un voyage de 412 jours, que la sonde européenne est enfin arrivée dans la banlieue lunaire, le 15 novembre 2004 à 18h48 heure française. Le moteur électrique PPS-1350 de Snecma Moteurs avait était allumé 12h auparavant pour freiner la sonde qui est arrivée, avec une vitesse de 1,14 km/s, au périlune à 5 000 km au-dessus de la surface lunaire. Le moteur fonctionnera ensuite pendant 4 jours pour stabiliser l'orbite. La consommation de 59 kg de xénon, sur les 82 kg embarqués a permis de gagner 2 mois sur le parcourt. Le moteur, de type plasmique à effet Hall, a été allumé 289 fois totalisant déjà 3 700 h de fonctionnement. Le moteur possède une poussée de 92 mN et une impulsion spécifique (Isp) de 1 800 s pour une puissance de 1,5 kW. Qu'il soit à plasma, à grille, effet Hall ou ions, les scientifiques parleront dorénavant de moteurs ioniques. 

     Une série de réallumages seront nécessaires pour finaliser l'orbite. Compte tenu de l'économie de carburant réalisé, l'ESA a décidé de réduire l'orbite de travail prévue d'une manière significative. La mission durera 6 mois et débutera le 13 janvier les paramètres seront ramenés à 300 km au-dessus du pôle Sud et 3 000 km au-dessus du pôle Nord au lieu des 10 000 km programmés. Si, à la fin de cette période, le 15 juillet, il reste de l'ergol, Smart 1 sera remis sur une orbite plus stable afin de prolonger les expériences scientifiques. Elle devrait s'écraser sur la Lune le 24 septembre 2005.

    Giorgio Saccoccia, chef de la division propulsion à l'Estec a déclaré qu'il était très satisfait des performances qui sont bien meilleures que prévues. Désormais, pour l'ESA, ce genre de propulsion est arrivé à maturité pour pouvoir être utilisée dans des missions planétaires, telles que Beppi Colombo ou Solar Orbiter. De plus tous les instruments permettant la navigation spatiale ont pu être testés. 

     Pour l'Europe s'est un nouveau succès de l'exploration planétaire. Après Mars Express qui rivalise, voire même surpasse, avec les Orbiter américains, la capsule Huygens qui va plonger le 14 janvier sur Titan, Smart 1 a atteint la Lune avec un moteur révolutionnaire.  Quant à Vénus Express en 2005 et à la sonde Rosetta en route vers la comète Churyumov-Gerasimenko 

http://sci.esa.int/science-e-media/img/f5/S1andMoon-410.jpg

http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=36101

C. Lardier Air et Cosmos n° 1959 p 68

X 43A, le record et René Leduc

17/11/04

http://aerostories.free.fr/constructeurs/leduc/leduc010_01.JPG

  Le X-43A, qui est un avion sans pilote de 3,8 m sur 1,45 d'envergure, a démontré sa capacité à voler à 10 fois la vitesse du son, soit prés de 11 000 km/h/. Il a atteint 33 000 m à Mach 9,8, grâce au superstatoréacteur (scramjet en anglais) ou tuyère thermopropulsive qui fut le premier nom à ce système  mis en application pour la première fois le 21 avril 1949 lors du premier vol (9 mn) du LEDUC 010 (2 317 kg), avion de l'ingénieur français René Leduc. Le pilote s'appelait Jean Gonord et l'avion porteur un Languedoc. C'est ainsi que Leduc venait de vérifier le bien-fondé de la formule d'un moteur révolutionnaire à tuyère thermopropulsive. Son avion ne ressemblait à aucun autre. Faute de trouver des fournisseurs capables de se conformer aux exigences techniques et financières qu'il avait fixées, lui-même avait dessiné et mis au point le train d'atterrissage, une pompe de 16 kg seulement, le système d'éjection de la cabine et un certain nombre d'autres équipements. Quelques temps plus tard, un officier supérieur américain de l'US Air Force, venu étudier le 010 rendait à René Leduc un témoignage ne manquant pas de valeur. Il lui dit: " Monsieur Leduc, vous ne vous contentez pas de construire un avion et un propulseur nouveau, c'est toute la technique aéronautique que vous poussez en avant!.. Tout est nouveau chez vous... c'est à croire que rien ne vous effraye! ".

  Le statoréacteur va vite parce qu'il va vite!.... Oui, la vitesse engendre la vitesse, c'est le principe. C'est le moteur le plus écologique qui soit. C'est un gros "tube" dans lequel  l'oxygène de l'air est brûlé grâce à l'ajout d'un peu de kérosène, la combustion est totale et les rejets nuls. La difficulté réside dans la construction du "tube". Le statoréacteur a eu une curieuse carrière. Imaginé en 1907 par l'Américain Lake, il a été oublié puis redécouvert par le Français René Lorin en 1913. René Leduc, calculateur chez Bréguet l'a inventé à nouveau sans rien savoir des travaux précédents. Après divers essais, la construction d'un premier avion, le 010.1 a été entamée en 1938. Interrompus pendant l'occupation, les travaux ont repris aussitôt après. A la suite de 14 vols effectués sur le dos du Languedoc (premier vol composite le 19-11-1946), c'est le 21 avril 1949 que le tout premier essai, avec tuyère allumée, eut lieu. Le Leduc mesurait 10,48 m d'envergure pour 11,40 m de long avec une masse à vide de 1 700 kg pour 2 800 kg de masse totale. Le stato avait une poussée de 2 000 kg pour une vitesse atteinte de Mach 0,84 à une altitude de 11 000 m.

  Le X43-A fixé à une fusée Pégase, le tout solidement attaché sous l'aile d'un B-52B,  a pris son envol du centre de recherches en vol de la base de l'Air Force à Edwards en Californie. C'est à 13 000 m que le booster Pégase se détacha du B-52B, instant où il alluma ses moteurs afin de transférer au X-43A, la vitesse nécessaire de Mach 4. Une fois la vitesse atteinte, la fusée Pégase libéra le X-43A qui accéléra pour atteindre sa vitesse record qu'il garda quelques secondes, avant de revenir sur Terre. 

   On s'attend à ce qu'également la mission du X-43 soit la dernière mission de recherches de la Nasa avec le vénérable B-52b. Il sera mis en retraite après presque 50 ans de service. Pour l'instant les applications  seront militaires. Les missiles en particulier vont en bénéficier. Plus tard, l'aviation civile pourrait voir apparaître des supersoniques révolutionnaires.
X-43A at NASA

http://aerostories.free.fr/constructeurs/leduc/page5.html

Trous noirs et bulbes galactiques

16/11/04

  Les astronomes du VLA (Very Large Array) un radio-télescope de la National Science Foundation l'ont utilisé pour étudier le quasar connu plus lointain. Ils ont trouvé un indice qui peut répondre à une vieille question cosmique du même style qui de la poule ou de l'oeuf est venu le premier, qui du trou noir supermassif ou de la galaxie géante fut le premier ?

   Pendant des années, les astronomes ont noté un rapport direct entre la masse centrale d'une galaxie, des trous noirs supermassifs et la masse totale du bulbe. Plus le trou noir est massif, plus le bulbe est massif. Les scientifiques ont beaucoup spéculé pour savoir qui est arrivé en premier. Récemment, quelques théories ont suggéré que les deux se seraient formés en même temps.

  Cependant, les nouvelles observations d'un quasar et de sa galaxie hôte avec le VLA, alors que l'univers était âgé de moins d'un milliard d'années,  indiquent que la jeune galaxie possède un trou noir supermassif mais sans bulbe.

   Chris Carilli du National Radio Astronomy Observatory (NRAO) à Socorro Nouveau Mexique a déclaré qu'ils avaient trouvé une grande quantité de gaz dans la jeune galaxie et lorsqu'ils additionnent la masse de ce gaz avec le trou noir, ils trouvent presque la totalité de la masse du système entier. La dynamique de la galaxie implique qu'il n'y a pas assez de masse pour obtenir le bulbe stellaire prévue par les modèles courants".

   Les scientifiques étudient un quasar appelé J1148+5251 qui à plus de 12,8 milliards d'années, est le plus éloigné des quasars connus à ce jour. Découvert en 2003 par le Sloan Digital Sky Survey, J1148+5251  est une jeune galaxie avec le noyau brillant d'un quasar vus lorsque l'univers avait 870 millions d'années. Aujourd'hui, l'univers est âgé de 13,7 milliards d'années.

  En dirigeant le VLA sur J1148+4241 pendant environ 60 heures, les chercheurs purent déterminer la quantité de gaz moléculaire dans le système. En outre, ils ont pu mesurer les mouvements de ce gaz et estimer toute la masse du système galactique. Des études précédentes ont estimé que le trou noir devait avoir de 1 à 5 milliards de fois la masse du Soleil.

  Les nouvelles observations indiquent que la quantité de gaz moléculaire serait d'à peu près 10 milliards de masses solaires et que la masse totale du système serait de 40 à 50 milliards de masses solaires. En combinant le gaz et le trou noir la quantité serait de 11 à 15 milliards de masses solaires.

   Pour Fabian Walter du Max Planck Institut de Radio Astronomie d'Heidelberg, qui était un postdoctorant au NRAO à Socorro lorsque les observations furent faîtes, le rapport admis indique qu'un trou noir de cette masse devrait être entouré d'un bulbe stellaire de plusieurs milliers de milliards de masses solaires. Les mesures dynamiques montrent qu'il n'y a pas assez masse résiduelle, à l'exclusion du trou noir et du gaz, pour former un bulbe stellaire. Cela fournit la preuve que le trou noir fut formé avant le bulbe stellaire.

   Pour Carilli, il ne faut pas généralisé à partir d'un seul exemple, mais avec cet objet nous sommes apparemment en présence d'un trou noir sans bulbe stellaire important. Maintenant nous devons effectuer des études plus approfondies de tels objets aussi lointain. Grâce à la sensibilité considérablement améliorée du VLA  et le grand réseau millimétrique de l'Atacama (ALMA), qui sera opérationnel dans quelques années, nous avons les outils nécessaires pour répondre définitivement à la question.

   Ont travaillé sur le projet: 

• Walter et Carilli avec Franck Bertoldi et Karl Menten du Max Planck Institut à Bonn; 

• Pierre Cox de l'Institut de physique spatiale à l'université de Paris Sud; 

• Fred K.Y. Lo du NRAO à Charlottesville, VA; 

• Xiaui Fan de l'observatoire Steward de l'université d'Arizona et 

• Michael Strass de l'université de Princeton.

  Leurs recherches ont été publiées dans "Astrophysical Journal Letters".

http://spaceflightnow.com/news/n0411/14galaxyform/

Voir le jeune univers

16/11/04

   L'invention du CT scanner (Computed Tomography) ou CAT (Computerised Axial Tomography), un appareil sophistiqué à rayons X qui permet de prendre des radiographies en coupe transversale du corps, a été une révolution dans le domaine médical. Avec l'analyse de haute qualité aux rayons X nous avons une image du corps humain en 2 dimensions, avec le CT scanner (CAT), le corps humain est révélé avec des vues en 3 dimensions. Pour obtenir ce résultat, les balayages  prennent un certain nombre de " tranches " virtuelles électroniquement et les assemblent dans une image 3D. Le CAT permet aux médecins de diagnostiquer un cancer et de déterminer la taille, la forme et la localisation des tumeurs. Maintenant une nouvelle technique qui ressemble aux balayages du CT scanner, connue sous le nom de tomographie, est appelée à révolutionner l'étude du jeune univers et de la fin " de l'âge obscur" moment où la température avait suffisamment baissé pour permettre aux premiers photons de s'échapper, 300 000 années après le Big bang.

   Dans un article, paru dans Nature, daté du 11 novembre 2004 des astrophysiciens J. Stuart B. Wyithe (Université de Melbourne) et Abraham Loeb (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) ont calculé de structures cosmiques qui seront mesurées lorsque les astronomes utiliseront effectivement le CT scanner pour obtenir des images du jeune univers.

    Ces mesures montreront comment l'univers a évolué au cours de son premier milliard d'années. Jusqu'ici, les scientifiques ont été limités à un simple instantané du fond diffus cosmologique de l'enfance de l'univers. Cette nouvelle technique permettra d'avoir un album entier des photos du jeune univers et de voir ainsi l"enfant" grandir.

   Le coeur de la technique de tomographie décrite par Wyithe et Loeb est l'étude du rayonnement à 21 centimètres de longueur d'onde des atomes neutres d'hydrogène, les plus abondants. Dans notre propre galaxie, ce rayonnement a aidé des astronomes à cartographier le halo sphérique de la Voie Lactée.

   Pour cartographier le jeune univers, les astronomes doivent détecter le rayonnement sur 21 centimètres qui a été décalé vers le rouge: l'expansion de l'univers décale vers les fréquences plus basses, la fréquence d'émission d'un signal, en l'occurrence vers le rouge). Ce décalage vers le rouge est en relation directe avec la distance. Plus un nuage d'hydrogène est loin, plus sa longueur d'onde (21 cm) est décalée vers le rouge. Par conséquent, en regardant une fréquence spécifique, les astronomes mettent "en boîte" la photographie d'une " tranche " de l'univers à une distance spécifique. Progressivement à l'aide de nombreuses fréquences, les chercheurs peuvent photographier plusieurs tranches et accumuler une image en 3D de l'univers.

  La tomographie est un processus compliqué, qui explique que l'utilisation n'a pu être faîte auparavant vers des décalages du rouge plus importants. Mais c'est très prometteur, parce que c'est une des techniques qui permettra d'étudier le premier milliard d'années de l'histoire de l'univers. Le premier milliard d'années est important, car c'est le moment où les premières étoiles apparaissent et que les galaxies se forment en amas compacts. Ces étoiles brûlent en émettant des quantités énormes de lumière UV qui ont ionisé les atomes voisins d'hydrogène, dédoublant des électrons, des protons et éliminant le gaz neutre qui remplissait le jeune univers.

    De jeunes amas de galaxie ont été bientôt entourés par des bulles de gaz ionisé tout comme des bulles de savon flottant dans un baquet d'eau. Plus la lumière UV inonde l'espace, plus les bulles ont grossi et ont progressivement fusionné ensemble. Les scientifiques pensent qu'environ 1 milliard d'années après le Big bang, l'univers était ionisé.

   Pour étudier les premiers âges de l'univers quand les bulles étaient petites et la plupart du gaz, neutre, les astronomes devront prendre des tranches de l'espace comme si on découpait des tranches de fromage et pas de jambon. Si les tranches sont trop fines ou trop proches, les mêmes bulles seront gardées et aucun changement ne sera détecté. Chaque tranche doit être de la taille d'une bulle typique. Wyithe et Loeb ont calculé que la plus large bulle atteint 30 millions d'al dans le jeune univers. Aujourd'hui, la bulle équivalente mesure 200 millions d'al, par suite de l'expansion. Ces calculs vont permettre de définir un radio-télescope pour mener à bien la tomographie des premiers instants. Des tests sont déjà entrepris à l'aide de réseaux d'antennes calées sur les fréquences s'étendant de 100 à 200 MHz autour du redshift des 21 cm.

    La cartographie du ciel à ces fréquences est extrêmement difficile à cause des interférences avec les émissions FM et TV et avec les ondes basses fréquences qui se réfléchissent sur l'ionosphère. Cependant, les nouvelles techniques électroniques et informatiques peu coûteuses rendront  possible une cartographie avant la fin de la décennie.

   Les résultats de Wyithe et Loeb aideront à développer des radio-télescopes, tels que le projet européen LOFAR et un réseau proposé en collaboration US-Australie pour le construction d'un équipement dans l'outback (région éloignée) de la partie ouest de l'Australie.

Related Links
Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
SpaceDaily

Gravity Probe B et Einstein

16/11/04 

    En 1960, le professeur Leonard Schiff de l’université de Stanford suggéra qu’un ensemble de gyroscopes, presque parfaits, en orbite autour de la Terre pourraient vérifier deux conséquences extraordinaires de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein. La théorie d’Einstein, élaborée en 1915, fournie une compréhension complètement nouvelle sur la pesanteur, remplaçant la théorie que Newton avait avancée en 1687. Newton a vu en la pesanteur une force d’attraction affectant tous les corps, agissant instantanément à distance à travers l’espace. Einstein a proposé à la place que l’espace, le temps et la matière ne soient pas indépendants l’un l’autre, comme newton l’avait supposé. La pesanteur n’agit pas comme une force mais comme un champ qui déforme l’espace et le temps autour des corps massifs tels que des étoiles et des planètes entraînant un déplacement du référentiel local. Cet effet, nommé Lense-Thirring est extrêmement difficile à mesurer car très faible.

   Pour vérifier cette théorie, les chercheurs se basent sur le gravitomagnétisme. Le gravitomagnétisme agit sur l’orbite des satellites en créant une précession. Un gyroscope placé en orbite autour de la Terre  oscillera autour de son axe de rotation. Les effets sont minimes et difficiles à mesurer.

   Comment peut-on surveiller l’orientation de l’axe de rotation de ce gyroscope presque parfait sans savoir où se trouve l’axe de rotation ? Quel outil peut détecter l’orientation sans déranger la rotation ? La réponse vient du phénomène de quantum mécanique unique appelé le «moment de London». 

   Le moment de London vient du physicien Frantz London qui a étudié le moment magnétique et a découvert:

•  un phénomène de quantum-mécanique par lequel une sphère en métal supraconducteur en rotation génère un champ magnétique dont l’axe s’aligne exactement avec l’axe de rotation.

• le moment magnétique de toute rotation de tout supraconducteur est causé par les électrons traînant derrière la rotation de l’objet.

    Il avait expérimenté au début des années 1900 des métaux ayant une propriété unique appelée la « supraconductivité ». C’est une propriété de quelques métaux et alliages où le métal (ou l’alliage) conduit l’électricité sans résistance. Quand l’électricité traverse des métaux, tels que des fils de cuivre, à la température ambiante, il y a toujours une résistance aux électrons qui traversent le métal. Cependant, quelques métaux peuvent conduire l’électricité sans résistance, ce sont les métaux supraconducteurs. Des métaux purs doivent être très nettement refroidis à quelques degrés au-dessus du zéro l’absolu (0° Kelvin soit - 273,15°C), pour que cette propriété apparaisse, alors que certains alliages deviennent supraconducteurs aux températures moins basses.

    London a découvert quelque chose de remarquable au sujet de ces métaux supraconducteurs; il a découvert que quand une sphère en métal supraconducteur tourne (ou un objet enduit d’un métal supraconducteur), il crée un champ magnétique autour de lui-même. De plus, l’axe du champ magnétique est aligné parfaitement avec l’axe de rotation de chaque gyroscope de rotation.    

    L’utilisation du moment de London pour surveiller l’orientation du gyroscope est idéal. C’est le marqueur que Gravity Probe avait besoin : sensibilité extrême, extrêmement stable, applicable à une sphère parfaite et le plus important, exerce une réaction insignifiante sur le gyroscope. En surveillant l’axe du champ magnétique, la sonde sait avec précision vers quelle direction pointe l’axe de rotation du gyroscope.   

   Des chercheurs emmenés par le physicien Ignazio Ciufolini ont essayé de détecter la précession gravitomagnétique de l’orbite des satellites. Pour leur étude, ils ont employé les Laser Geodynamic Satellites (LAGEOS et LAGEOS  II), deux boules de 60 centimètres de diamètre recouvertes de miroirs. Cela consiste à envoyer un faisceau laser d'une station au sol sur un satellite en orbite et à calculer la distance qui sépare les deux points. L’alignement précis du rayon laser des 2 satellites permet de surveiller leurs orbites. Les chercheurs ont effectué des millions mesures entre 1993 et 2003. Néanmoins, leurs calculs comportent, de leur propre aveu, une marge d'erreur de 10%, liée notamment aux perturbations gravitomagnétiques  et aux irrégularités du globe terrestre. Ciufolini et son équipe ont-ils eu suffisamment de précision pour détecter le gravitomagnétisme ? Beaucoup de scientifiques acceptent le résultat, mais d’autres sont sceptiques. Ainsi Gravity Probe B vit le jour.  

   Cliff Will  a déclaré en 1995, devant un panel du National Research Council, qu’au cours de son travail de conception sur Gravity Probe B, son équipe avait apporté des contributions brillantes et originales à la physique et à la technologie de base. Ses membres étaient parmi les premiers à mesurer le moment de London sur la rotation dans un supraconducteur, les premiers à exploiter une enveloppe de supraconduction pour exclure le flux magnétique et les premiers à employer une "fiche poreuse" (porous plug) pour confiner l’hélium superfluide sans pression sur l’enveloppe. Ils ont inventé et validé le concept d’un satellite sans traînée et tout récemment quelques membres du groupe avaient ouvert une voie en utilisant le système de positionnement différentiel avec le positionnement global par satellites (GPS) pour créer un système très fiable et précis pour l’atterrissage des avions.

    La sonde, développée par les scientifiques de l’université de Stanford, la NASA et  Lockheed Martin, fera l’expérience différemment, à l’aide de 4 gyroscopes suspendus dans le vide et tournant à 10 000 tours/mn. Elle est destinée à vérifier les 2 prédictions de la théorie de la relativité d’Albert Einstein sur le fait que l’espace et le temps sont déformés par la présence d’un objet massif. Si les équations d’Einstein sont correctes et le gravitomagnétisme réel, l’axe de rotation des gyroscopes devrait osciller.    

http://einstein.stanford.edu/content/pict_gal/dig_art/images/gpb.jpg

    Le contrôle d’attitude est effectué grâce au compas gyroscopique constitué autour des  4 gyroscopes. Le système contient un contrôle d’attitude extrêmement fin à l’aide de petites tuyères. Le télescope de Gravity Probe est calé de manière ultra précise (1/100 000^e de degrés) sur l’étoile HR 8703 (IM Pegasi).

    Pour accomplir la mission, les scientifiques comptent sur la précision des gyroscopes afin de mesurer la distorsion due à la Terre et comment la rotation terrestre entraîne l’espace avec elle. Libéré des forces externes, l’axe du gyroscope devrait continuer à se diriger vers l’étoile guide éternellement.

    L’idée de base est simple: mettre un gyroscope en rotation en orbite polaire, avec l’axe de rotation dirigé vers une étoile éloignée servant de point de référence fixe. Si la région de l’espace, dans laquelle le gyroscope orbite, est légèrement tordue, ce que la théorie d’Einstein prévoit, la direction de l’axe du gyroscope devrait dériver lentement avec le temps. En notant le changement de direction relatif de l’étoile, le subtil effet de traînage pourra être mesuré.

   Cela ressemble à une expérience simple; la difficulté c’est de la réaliser réellement. L’axe du gyroscope ne doit pas dériver de plus de 0,042 seconde d’arc, sachant qu’une seconde d’arc n’est que 1/3600^e de degré. Pour mesurer efficacement un tel angle, la précision du satellite doit être de 5.10^-4 seconde d’arc. Chaque aspect de l’expérience doit être parfait. Relever ce défi a pris presque 40 ans d’efforts pour beaucoup de scientifiques et d’ingénieurs, principalement à l’université de Stanford, au centre aérospatial Marshall et chez Lockheed - Martin. 

   L’équipe de Gravity Probe B a créé les plus petits gyroscopes cylindriques jamais construits et les a placés, en orbite terrestre, dans une « chambre » libre de forces extérieures, afin de ne pas être perturbé par la gravité terrestre.  Le choix de quatre gyroscopes fut nécessaire pour la redondance.

  Ils ressemblent à 4 balles de ping-pong de 38,1 mm de diamètre. Chaque gyro est fait d’une espèce de verre (à partir de cristaux de quartz fondus) et de silicium, recouvert d’une mince couche de 1,27 µm d’épaisseur, d’un métal supraconducteur, appelé niobium et poli à moins de 40 atomes d’épaisseur, soit moins de  0,01 µm. Il est presque parfaitement sphérique et presque parfaitement homogène. Cela permet au gyroscope de tourner avec une stabilité presque parfaite, ce « proche de la perfection » est un défi incroyable. Si ces gyroscopes n’étaient pas aussi sphériques, ils seraient perturber même sans être influencé par l’effet que les chercheurs veulent mesurer, ce qui ruinerait l’expérience. Cela signifie que si l’on polissait la Terre, les montagnes ne dépasseraient pas 4 m (pour un rayon de 6 400 km). Seules des étoiles à neutrons sont susceptibles d’être plus lisses, parce que la pesanteur nivelle tout sur la surface. D’ailleurs, Mars étant plus petite que la Terre, sa pesanteur y est plus faible et les montagnes sont plus hautes, tel Olympus Mons qui atteint une altitude de 25 000 m.

   Être en orbite permet aux sphères de flotter dans leurs logements, en apesanteur, mais sans d’autres commandes, la rotation des sphères tendraient à dériver et à se cogner contre les parois de leur logement. La raison est que le satellite est ralenti légèrement par la traînée aérodynamique, alors que les sphères flottant librement  au coeur du vaisseau spatial ne le sont pas. L’équipe de Gravity Probe B a résolu le problème en développant un satellite libre de traînée.

   A l’intérieur du satellite les instruments surveillent la distance entre un des gyroscopes et ses parois avec une extraordinaire précision, moins du nanomètre (10^-9 m). Les tuyères du satellite répondent à tous les changements de ce déplacement. En effet le satellite court après le gyroscope et vole le long du même chemin orbital, libre de traînée.

   Les gyroscopes doivent aussi être protégés contre le champ magnétique terrestre, car un signal magnétique faible issu des gyroscopes eux-mêmes sera finalement employé pour détecter tout changement important de l’angle de leur rotation. L’intrusion du champ magnétique terrestre noierait ce signal. La supraconductivité est utilisé pour neutraliser ce champ magnétique. Au montage, le gyroscope est placé à l’intérieur d'une enveloppe conductrice, (suspendu électriquement à 25 µm des parois), qui à son tour est placée à l’intérieur d’un grand container cryogénique appelé thermos "Dewar"  contenant 757 litres d’hélium liquide. 

  Un Dewar est une bouteille thermos sophistiquée pour contenir des liquides cryogéniques. Le  Dewar de Gravity Probe B est un des plus grands et des plus sophistiqués jamais mis dans l'espace. Avec ses 3 m, il représente la principale structure du satellite. La partie où règne le vide est  juste à l'intérieur de la coquille du Dewar et contient de multiples surfaces réfléchissantes qui réduisent le rayonnement thermique. Le Dewar contient également des écrans métalliques refroidis à la vapeur qui aident à maintenir la température cryogénique interne et à baigner les cloisons qui suppriment à l'intérieur le clapot de l'hélium liquide . Ci-dessous, une représentation montre une coupe du satellite.

http://einstein.stanford.edu/content/pict_gal/diagram.gif

   L’hélium refroidit l'enveloppe conductrice à 1,7°K degrés (~ - 271°C). À cette température, le fil de l'enveloppe devient supraconducteur et de ce fait bloque le champ magnétique, l’empêchant de perturber les gyroscopes. Le champ magnétique ambiant dans ces enveloppes est réduit à moins de 3 µG (micro gauss), qui est plus ou moins identique à celui de l’espace profond.

   Le froid extrême aide également à créer un vide très poussé dans la chambre du gyroscope; après pompage de la plupart du gaz, des molécules restantes sont très froides et se déplacent de ce fait à peine, ce qui signifie qu’elles exercent une pression presque nulle. Dans cet environnement pur et sous ce vide poussé, le gyroscope peut tourner à la vitesse de 10 000 t/mn pendant 1 000 années sans ralentir de plus de 1 %.

  Finalement il suffit de mesurer la rotation du gyroscope sans le toucher, malgré sa petite taille.

   A nouveau, la supraconductivité vient à la rescousse. En tournant, la couche uniforme, presque parfaite, de niobium produit un champ magnétique qui s’aligne exactement avec l’axe de la rotation du gyroscope.

   Sur la surface du métal en rotation, les électrons traînent derrière eux des atomes métalliques positivement chargés créant un petit champ différentiel qui génère un champ magnétique. Ce qui est bien plus remarquable au sujet de ce phénomène (et chanceux pour Gravity Probe) est que l’axe de ce champ magnétique s’aligne exactement avec l’axe du métal en rotation.

    Puisque la surface du gyroscope ne peut pas être touchée de quelque façon que ce soit (ceci perturberait surface et sphéricité, donc la rotation), les scientifiques ne peuvent pas voir exactement  vers quelle direction son axe de rotation pointe. Pour mesurer le mouvement du gyroscope et voir la forme et le mouvement du temps spatial local, les scientifiques doivent pouvoir surveiller le pointage de l’axe de rotation à moins 0,000 5 seconde d'arc. Avec de très basses températures au coeur de Gravity Probe, le niobium devient supraconducteur et  un champ magnétique est produit quand les gyroscopes tournent. En surveillant le champ magnétique, les ingénieurs peuvent surveiller la rotation des gyroscopes sans aucun contact.

    Afin d’effectuer cette mesure, les scientifiques ont réalisé un ensemble remarquable appelé  SQUID (Superconducting QUantum Interference Device). Squid signifie calamar, allusion aux bras de l’animal qui entourent l’objet qu’il saisit. Le Squid, de la taille d’une barre de chewing-gum, est situé dans un blindage supraconducteur, relié à une boucle supraconductrice incluse dans le logement en quartz. Un Squid fonctionne comme un détecteur ultrasensible du changement d’orientation du moment magnétique. Quand le gyroscope se décale, le moment magnétique de London se décale avec lui, par l’intermédiaire de la boucle supraconductrice. Le Squid détecte un champ magnétique de 50 milliardièmes de microgauss (5.10^-14), ce qui correspond à un angle de 1.10^-4 secondes d’arc.

      Le satellite orbite à 644 km. L’énergie électrique est fournie par des panneaux solaires. Les communications s’effectuent par l’intermédiaire d’un satellite relais TDRSS (Tracking and Data Relay Satellite System). Le lancement a eu lieu le 20 avril 2004. 

   A bord du satellite, un télescope pointe en permanence l’étoile IM Pégasus. L’étoile sert de référence externe permettant de mesurer le décalage des gyroscopes. L’étoile est le meilleur point fixe bien qu’elle dérive très légèrement sur la durée de vie du satellite, 2 ans. Heureusement, les astronomes savent très précisément  de combien elle dérivera, de sorte que le mouvement peut être compensé.

   Après 30 semaines de vie orbitale, Gravity Probe fonctionne parfaitement. 2,5 mois de données ont déjà été recueillies et la qualité est excellente. Le satellite vole avec le gyroscope # 3, tout en maintenant un taux constant de rotation de 0,7742 t/mn (77,5 secondes par tour). Alors qu’il entame le 2^e semestre, le satellite doit rester encore un mois en plein Soleil, tandis que l’enveloppe du «  vase Dewar «  s’échauffe doucement et le taux d’hélium bouillonnant a augmenté légèrement dans le  vase Dewar avec pour résultat une augmentation uniforme de l’hélium fuyant à travers les micro tuyères, maintenant une pression appropriée à l’intérieur du vase Dewar et une température stabilisée à 1,82° Kelvin.

   Une importante éruption solaire s’est produite le 7 novembre 2004 et le flot de particules a atteint la Terre le 10 novembre en créant une intense tempête magnétique où un important flux de protons à haute énergie a bombardé les régions faisant face au Soleil et particulièrement la région connue sous le nom d’anomalie de l’Atlantique Sud (zone où la ceinture intérieure de Van Allen, contenant des particules chargées électriquement, est particulièrement proche de la surface provoquant un changement de la direction du champ magnétique terrestre ). Ainsi, il n’est pas étonnant qu’un proton ait frappé un endroit critique de la mémoire électronique localisée dans la zone de lecture du SRE (Squid Readout Electronic). Cet événement déclencha une réaction en chaîne du système de protection avec, entre autres, une remise à zéro de l’ordinateur de bord et mis les 4 gyroscopes sur le mode sauvegarde.

   Au cours des dernières semaines, l’électronique du SRE a encaissé deux impacts de protons dans une partie non critique de la mémoire. Heureusement, les effets de cet événement ont été limités à l’électronique du SRE et l’ordinateur principal du satellite n’a pas été affecté. L’équipe a travaillé toute la nuit de mercredi et la majeure partie de jeudi en envoyant des commandes aux systèmes affectés par la remise à zéro et a remis en route chacun des quatre gyroscopes en mode de suspension numériques. Depuis, Gravity Probe fonctionne normalement. Les chercheurs ne savent pas s’il y aura une répercution sur la mission. Quelques données de cette période furent probablement perdues, mais cela ne devrait pas affecter le reste de la mission.    

  Avec Gravity Probe les physiciens sont anxieux et excités. Ils sont anxieux car le gravitomagnétisme peut ne pas exister. La théorie d’Einstein peut être fausse (une possibilité peu probable pour la plupart), et provoquerait une révolution en physique. Ils sont excités pour la même raison. Chacun veut être présent pour la prochaine grande avancée de la Science.

  Prés de la Terre le champ gravitomagnétique est faible. C’est pourquoi les gyroscopes de Gravity Probe oscillent de seulement 0,042 secondes d’arc. Mais le gravitomagnétisme est beaucoup plus puissant à proximité d’autres parties de l’Univers par exemple proche d’un trou noir ou d’une étoile à neutrons. Un trou noir typique c’est la masse du Soleil contenue dans une sphère de 10 km de diamètre, tournant à 100 tours/ minute. Le champ gravitomagnétique y est très puissant.

  Les astronomes pourraient bien avoir déjà observé les effets du gravitomagnétisme. Quelques trous noirs et étoiles à neutrons éjectent des jets de matière dans l’espace à une vitesse proche de celle de la lumière. Ces jets vont par paires et de directions opposées, sortant des pôles de l’objet tournant sur lui-même. Les théoriciens pensent que ces jets pourraient être provoqués et collimatés par gravitomagnétisme. En outre, les trous noirs sont entourés de disques de matière appelés « disques d’accrétion », si chauds qu’ils rayonnent en bande X. Des preuves s’accumulent, recueillies par les télescopes pour visualiser le rayonnement X comme l’européen XMM et l’américain Chandra qui observent les oscillations de ces disques tout comme le font les gyroscopes sur Gravity Probe.

   Dans notre Système solaire le gravitomagnétisme est, au mieux, faible. Ceci soulève une question, que faire une fois qu’il aura été trouvé ? Le même genre de question fut posé plusieurs fois au 19^e siècle quand Maxwell, Faraday et autres ont exploré l’électromagnétisme. Quelle utilisation peut-on avoir ? Aujourd’hui nous sommes entourés par les avantages de leurs recherches. Les ampoules lumineuses, les ordinateurs, les machines à laver, Internet, les voitures, etc... La liste est infinie. Pour quoi le gravitomagnétisme sera-t-il bon ? Est-il juste une autre étape importante sur le chemin de la recherche pour comprendre la nature ou bien quelque chose qui reste en pratique irréalisable ? Qui vivra verra !....

http://einstein.stanford.edu/content/education/EducatorsGuide/Page17.html

Gravity Probe B --  la mission à l'université de Stanford.

In Search of Gravitomagnetism -- (Science@NASA) Gravity Probe B has left Earth to measure a subtle yet long-sought force of Nature.

A Review of Gravity Probe B -- du National Research Council

The Search for Frame Dragging -- un survol mathématique avec le physicien Clifford Will.

 

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