L’exploration spatiale et les satellites

Un satellite doré et argenté, avec de grands panneaux solaires dépliés de chaque côté, suspendu dans une salle de musée. — Un satellite GPS du modèle II-A, jamais lancé, exposé au musée de l’Air et de l’Espace de San Diego. Scott Ehardt, Domaine public, source

Lorsqu’un téléphone affiche sa position sur une carte, il fait confiance à deux théories écrites en 1905 et en 1915.¹

Ce n’est pas une figure de style. C’est le fonctionnement même de l’appareil.

Deux effets qui tirent en sens contraire

Le système GPS repose sur vingt-quatre satellites porteurs d’horloges atomiques, répartis par quatre sur six plans d’orbite inclinés, de façon que quatre satellites au moins soient presque toujours au-dessus de l’horizon, en tout point du globe.²

Deux phénomènes affectent simultanément ces horloges.

Parce qu’ils vont vite, leurs horloges retardent : c’est un effet prévu par la relativité restreinte.³

Parce qu’ils sont haut, là où la gravité terrestre est plus faible, leurs horloges avancent : c’est un effet prévu par la relativité générale.

Les deux ne s’annulent pas. Pour un satellite GPS, c’est l’avance qui l’emporte : l’horloge en orbite bat trop vite.⁴

Un décalage minuscule, est-ce grave ?

L’écart se compte en milliardièmes de seconde. On pourrait le croire négligeable.

Il ne l’est pas.

Le GPS calcule la position d’un récepteur à partir du temps que met un signal pour lui parvenir. Une erreur d’un milliardième de seconde donne une erreur de trente centimètres sur la position.⁵

Un décalage qui s’accumule jour après jour rendrait donc le système rapidement inutilisable. Neil Ashby, le physicien auteur de la synthèse de référence sur le sujet, le dit sans détour : ces décalages sont si grands que, sans en tenir compte soigneusement, le système ne fonctionnerait pas.⁶

Comment on corrige

C’est la partie que nous trouvons la plus belle, et elle est très simple.

On règle l’horloge pour qu’elle retarde — avant le lancement, dans l’atelier.

L’horloge devrait battre à 10,23 millions de fois par seconde. On la règle en réalité sur 10,229 999 995 43 — un tout petit peu moins vite. Une fois en orbite, la relativité fait le reste, et l’horloge bat juste. Ce réglage est effectué au sol, avant que l’horloge ne parte dans l’espace.⁷

Le reste — de petits écarts dus aux orbites qui ne sont pas parfaitement circulaires — est calculé par le récepteur lui-même, à chaque instant.⁸

Ce qui s’est passé au premier essai

Cette histoire mérite d’être racontée.

Quand on a lancé, le 23 juin 1977, le satellite NTS-2 qui emportait la première horloge atomique au césium mise en orbite, on savait qu’une correction relativiste serait nécessaire — mais on n’était sûr ni de sa taille, ni même de son signe. Et certains doutaient que ces effets soient réels.⁹

Une précaution fut donc prise : le réglage ne serait pas appliqué d’emblée. Un dispositif embarqué permettait de l’activer plus tard, si la mesure confirmait la prédiction.¹⁰

On a donc laissé l’horloge tourner une vingtaine de jours, sans correction, et on a mesuré sa dérive.¹¹

La relativité générale prédisait 446,5 parties par mille milliards. On a mesuré 442,5.¹²

Le dispositif a alors été activé.

Pourquoi cette page compte

Les autres pages de ce domaine sont surtout consacrées à des erreurs.

Un mot mal traduit qui fabrique des canaux sur Mars. « Zéro gravité », qui fait croire que la gravité disparaît. « Big Bang », qui évoque à tort une explosion. Des images prises pour des photographies. Des astronomes qui voient ce qu’ils s’attendent à voir.

On pourrait finir par croire que la science est surtout une longue suite de bévues corrigées.

Il existe pourtant une autre face, tout aussi présente.

Une prédiction bizarre, contraire au bon sens. Mise à l’épreuve avec méfiance. Confirmée. Puis appliquée à l’échelle industrielle, et vérifiée chaque jour depuis, dans l’appareil que chacun porte dans sa poche.

Les deux choses sont vraies en même temps : on se trompe beaucoup, et on parvient parfois à des résultats stupéfiants. Le second n’est possible que parce que le premier est pris au sérieux.

Un mot sur les mots

On parle souvent de « conquête spatiale », et de « coloniser » Mars.

Ce site n’emploie pas ces mots.

Non qu’ils soient interdits, mais parce qu’ils viennent d’une histoire terrestre précise, où « conquérir » et « coloniser » signifiaient prendre des terres à des gens qui les habitaient. Nous avons consacré une page entière à montrer ce que ce vocabulaire masque.

Pour l’espace, ces mots ne décrivent d’ailleurs même pas ce qui se passe, pour l’essentiel : on envoie des machines, on pose des instruments, on ramène des mesures. C’est déjà assez remarquable sans qu’il faille recourir à un vocabulaire guerrier.

Ce qu’il y a là-haut, et ce qu’on en sait

Il y a là-haut beaucoup plus d’objets qu’on n’en voit.

Les réseaux de surveillance en suivent des dizaines de milliers : ceux-là sont vus, catalogués, et leur trajectoire est connue. Mais les modèles en estiment bien davantage — plus d’un million de fragments de 1 à 10 cm, que les réseaux ne suivent pas tous.¹³

Aucun des deux chiffres n’est faux. Ils ne répondent pas à la même question : combien en voit-on, ou combien y en a-t-il ?

Devant un chiffre, il faut toujours se demander lequel des deux est donné.

Note 1

On 25 November 1915, as devastating war raged throughout Europe, Albert Einstein presented the paper Die Feldgleichungen der Gravitation (“The field equations of gravitation”) to the Prussian Academy of Sciences. This paper, the last in a series of four, marked the first consistent formulation of his general theory of relativity, a task that had challenged Einstein for almost a decade. […] In his 1905 theory of relativity (later named the “special theory”), Einstein’s insistence that the laws of physics must appear identical to observers in uniform relative motion led to the prediction that space and time are neither independent nor absolute.

Le 25 novembre 1915, alors qu’une guerre dévastatrice faisait rage dans toute l’Europe, Albert Einstein présenta l’article Die Feldgleichungen der Gravitation (« Les équations du champ de la gravitation ») à l’Académie prussienne des sciences. Cet article, le dernier d’une série de quatre, marqua la première formulation cohérente de sa théorie de la relativité générale, une tâche qui avait occupé Einstein pendant près de dix ans. […] Dans sa théorie de la relativité de 1905 (plus tard appelée « théorie restreinte »), l’exigence d’Einstein que les lois de la physique soient identiques pour des observateurs en mouvement relatif uniforme conduisit à prédire que l’espace et le temps ne sont ni indépendants ni absolus.

Physics World, « A Very Brief History of Relativity », compte rendu (non signé) du livre de John Gribbin Einstein’s Masterwork: 1915 and the General Theory of Relativity, numéro d’août 2015, mis en ligne le 20 août 2015, en accès libre

Voir la note complète ↓

Note 2

The Space Segment consists essentially of 24 satellites carrying atomic clocks […] There are four satellites in each of six orbital planes inclined at 55° with respect to earth's equatorial plane, distributed so that from any point on the earth, four or more satellites are almost always above the local horizon.

Le segment spatial se compose essentiellement de 24 satellites portant des horloges atomiques […] Il y a quatre satellites dans chacun des six plans orbitaux inclinés à 55° par rapport au plan de l’équateur terrestre, répartis de sorte que, de n’importe quel point de la Terre, quatre satellites ou plus soient presque toujours au-dessus de l’horizon.