Plus personne ne teste Einstein avec des cylindres de métal : voici ce qui les remplace à bord de l’ISS

Le principe d’équivalence d’Einstein, celui selon lequel une plume et un marteau tombent exactement à la même vitesse dans le vide, ne se teste plus avec des blocs de métal enfermés dans un satellite. À bord de la Station spatiale internationale, ce sont désormais des nuages d’atomes refroidis à quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu qui servent de masses d’épreuve. Le Cold Atom Lab de la NASA a été conçu pour tenir dans un rack EXPRESS de la Station, et il opère à bord de l’ISS depuis 2018 pour étudier les gaz quantiques et faire mûrir les technologies quantiques en orbite terrestre.

Les cylindres de métal, eux, appartiennent déjà à l’histoire de la physique spatiale.

Les cylindres qui ont fait trembler la physique

Le satellite MICROSCOPE a été lancé depuis Kourou le 25 avril 2016 sur une orbite héliosynchrone à 710 kilomètres d’altitude. À son bord, deux cylindres creux concentriques, l’un interne en platine d’une masse de 400 grammes, l’autre externe en titane d’une masse de 300 grammes, évoluaient en apesanteur dans une enceinte. L’objectif : vérifier si ces deux matériaux subissaient exactement la même accélération gravitationnelle, comme l’exige la théorie d’Einstein. Les résultats finaux, publiés en 2022, ont confirmé la validité du principe d’équivalence dans la limite d’une précision de 14 chiffres après la virgule, un record mondial.

Cette approche prolongeait une lignée d’expériences vieille de plus d’un siècle, depuis la balance à torsion inventée par le physicien hongrois Loránd Eötvös en 1888. Mais un satellite bardé de métal, aussi précis soit-il, ne peut sonder que le monde macroscopique, pas l’échelle quantique où se joue la véritable réconciliation entre gravité et physique des particules.

Des atomes en chute libre perpétuelle

Le Cold Atom Lab crée des condensats de Bose-Einstein à partir d’atomes de rubidium et de potassium, exploités seuls ou en mélanges à deux espèces dans la même enceinte à vide. Dans l’apesanteur de l’ISS, l’atome flotte librement sans pesanteur nette, ce qui permet d’étendre le temps d’observation utile à dix secondes ou plus, une durée impossible à obtenir sur Terre. Cette prolongation démultiplie la sensibilité de l’instrument : la différence de précision entre un interféromètre terrestre et son équivalent spatial procure à ce dernier un avantage de plusieurs milliers de fois.

En 1971, l’astronaute d’Apollo 15 David Scott avait déjà réalisé cette expérience à la surface de la Lune.

Le geste qu’il accomplissait ce jour-là avec une plume et un marteau lâchés simultanément, montrant qu’en l’absence de friction de l’air les deux tombent à la même vitesse, est le même principe testé aujourd’hui à l’échelle atomique. En France, les physiciens de l’Onera avaient déjà réussi à mesurer simultanément, par interférométrie à ondes de matière, l’accélération en chute libre de deux isotopes du rubidium (85Rb et 87Rb). Sur l’ISS, les équipes poursuivent leurs efforts pour allonger le temps d’interaction dans cet interféromètre à deux espèces, avec pour objectif un véritable test de preuve de principe de l’équivalence d’Einstein. L’enjeu dépasse la simple vérification : une violation, même infime, ouvrirait une brèche vers une physique au-delà de la relativité générale.

La suite : BECCAL et une précision inédite

En juin 2026, le Cold Atom Lab a redémarré après sa quatrième et dernière mise à niveau matérielle, un système baptisé SM-3X qui produit des condensats de Bose-Einstein cinq fois plus volumineux qu’auparavant. Cette évolution vise à approcher des sensibilités proches des niveaux où les théories de gravité quantique prédisent des écarts, de l’ordre d’une partie sur 10¹³ à 10¹⁸.

Le consortium BECCAL réunit notamment le DLR, l’université Humboldt de Berlin et l’institut Ferdinand Braun.

La mission BECCAL, collaboration entre la NASA et l’agence spatiale allemande DLR, doit prendre le relais du Cold Atom Lab après la fin de sa mission nominale prévue en 2027. Contrairement au Cold Atom Lab, qui utilise un laser unique pour interroger simultanément le rubidium et le potassium avec une forte suppression du bruit commun, BECCAL emploiera deux lasers séparés et des faisceaux atomiques dix fois plus grands. En parallèle, le projet européen STE-QUEST, qui rassemble une trentaine de laboratoires autour du lien entre relativité générale et physique quantique, envisage d’emporter directement ce type d’expérience sur un satellite dédié.

Aucun autre site, ni sur Terre ni ailleurs en orbite, ne permet aujourd’hui de maintenir un nuage d’atomes ultrafroids immobile pendant d’aussi longues secondes. D’autres instruments comme l’horloge atomique ACES opèrent aussi sur l’ISS aux côtés du Cold Atom Lab et du futur BECCAL, faisant de la Station un véritable laboratoire de physique fondamentale en orbite basse.

Sources : techno-science.net | ncbi.nlm.nih.gov | onera.fr