Galileo: des satellites en orbite anormale offrent le test le plus précis de la dilatation gravitationnelle du temps

Le système européen de navigation par satellite Galileo a récemment servi de plateforme pour une avancée majeure en physique fondamentale, permettant la mesure la plus précise jamais réalisée de la dilatation du temps gravitationnelle, un effet prédit par la Théorie de la Relativité Générale d'Albert Einstein. Cet effet, également désigné sous le nom de décalage vers le rouge gravitationnel, décrit comment les variations du champ gravitationnel modifient le rythme auquel le temps s'écoule. Les résultats initiaux de cette vérification ont été rendus publics fin 2018, exploitant les données des satellites Galileo 5 et FM06, positionnés sur des orbites non nominales suite à une anomalie de lancement antérieure.

L'exploit scientifique a été rendu possible par l'analyse des horloges atomiques embarquées, des horloges Maser à Hydrogène Passif (PHM) d'une stabilité exceptionnelle. L'expérience a été menée en parallèle par deux consortiums européens: l'un dirigé par l'Observatoire de Paris SYRTE en France, et l'autre par le ZARM Center of Applied Space Technology and Microgravity en Allemagne. Cette collaboration a permis d'améliorer la précision de la mesure d'un facteur d'environ cinq par rapport à l'étalon-or précédent, l'expérience Gravity Probe-A menée en 1976.

L'anomalie de lancement, survenue en août 2014 lors d'un tir de lanceur Soyouz depuis Kourou, en Guyane française, a placé les satellites Galileo 5 et 6 dans des orbites elliptiques non circulaires, avec une excentricité de 0,23 au lieu de l'orbite circulaire visée. Bien que cet événement ait initialement retardé le programme, il a créé une configuration idéale pour tester la relativité. Les variations d'altitude, atteignant 8 500 km deux fois par jour, modifiaient constamment les niveaux de gravité et, par conséquent, le rythme des horloges. Ces orbites excentriques ont permis une vérification plus approfondie de la prédiction d'Einstein tout au long de la trajectoire orbitale, contrairement aux satellites GPS dont la dilatation du temps est généralement plus constante en raison d'une altitude plus fixe.

La précision atteinte par les équipes de recherche, coordonnées par le Bureau des Sciences de la Navigation Galileo de l'ESA, représente un bond technologique significatif. Les données Galileo ont permis d'atteindre une précision cinq fois supérieure à celle de l'expérience Gravity Probe-A de 1976, qui avait confirmé la prédiction d'Einstein avec une précision de 140 parties par million. Les horloges embarquées, qui compensent déjà un biais relativiste quotidien d'environ quelques dixièmes de microseconde pour la navigation, sont restées stables, assurant la validité de cette recherche fondamentale.

Cette contribution à la physique fondamentale conserve sa pertinence en 2026, alors que l'infrastructure Galileo poursuit sa modernisation vers la Seconde Génération (G2G). Le système, qui comptait 34 satellites lancés au 1er février 2026, dont 26 opérationnels, verra le premier lancement de satellites G2G envisagé pour 2027. Ces futurs éléments intégreront des propulsions électriques et des liaisons inter-satellites, des technologies destinées à renforcer la robustesse et la précision des services de positionnement, de navigation et de synchronisation cruciaux pour des secteurs comme le ferroviaire et l'aviation. La construction des 12 satellites G2G est assurée par Thales Alenia Space (Italie) et Airbus Defence and Space (Allemagne), avec des tests de compatibilité en cours depuis septembre 2024.

Il est essentiel de distinguer cette vérification d'autres missions. Alors que le satellite MICROSCOPE a testé le principe d'équivalence avec une précision de deux milliardièmes de pour cent, Galileo a fourni une mesure directe et unique du décalage vers le rouge gravitationnel sur la fréquence des horloges atomiques. L'exploitation inattendue de ces orbites erronées pour la physique démontre la double utilité des actifs spatiaux, alliant les impératifs de navigation pratique à la recherche scientifique fondamentale, renforçant ainsi la précision décimétrique attendue pour les utilisateurs de la prochaine génération de Galileo.