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Comptes Rendus. Physique
The MICROSCOPE space mission to test the Equivalence Principle
Comptes Rendus. Physique, Volume 21 (2020) no. 2, pp. 139-150.

Part of the special issue: Prizes of the French Academy of Sciences 2019

The MICROSCOPE space experiment aimed to test the Equivalence Principle with a much better accuracy than ever before. Its principle is to compare the free fall of concentric test masses embedded in a space accelerometer onboard a satellite orbiting the Earth. The effect of non-gravitational forces on the motion of the satellite is strongly reduced thanks to the so-called drag-free system. MICROSCOPE ran from April 2017 until October 2019. The analysis of the first series of measurements leads to an improvement of about an order of magnitude on the accuracy of the test of the Equivalence Principle. No violation has been detected for the pair of masses in platinum and titanium at the level of 10 -14 .

MICROSCOPE, proposed by ONERA and OCA as science leaders and developed by CNES as project manager, is the first European space mission dedicated to fundamental physics on low Earth orbit. ZARM, PTB and ESA are the main European contributors.

La mission spatiale MICROSCOPE avait pour objectif de tester le Principe d’équivalence (PE) avec une précision bien meilleure que ce qui avait été fait jusqu’alors. Ce type de test a un enjeu important car, tandis que le PE est un pilier de la relativité générale, il n’est pas imposé par la plupart des théories alternatives visant à étendre la gravitation pour l’unifier avec les autres interactions de la physique. Fondamentalement l’expérience consiste à comparer les chutes libres de différentes masses. Pour des raisons de mise en œuvre, le mouvement des masses n’est pas libre mais contrôlé par un accéléromètre (la charge utile du satellite) et c’est la force électrostatique nécessaire à maintenir les masses au repos qui constitue la mesure. Plus précisément, on compare les forces par unité de masse exercées sur des masses concentriques et on recherche dans leur différence la signature d’une différence de comportement vis-à-vis de la gravité terrestre. L’avantage d’un test dans l’espace est de permettre une chute quasi-infinie et de minimiser de nombreuses perturbations environnementales. Le satellite est équipé de micro-propulseurs dont les poussées sont asservies pour d’une part contrebalancer les forces non-gravitationnelles et d’autre part maintenir une loi d’attitude très stable.

Le satellite MICROSCOPE a été lancé en avril 2016 et a fonctionné avec succès jusqu’en octobre 2018, date à laquelle sa passivation a été réalisée. De nombreuses sessions de mesures ont été réalisées, non seulement pour faire le test du PE dans différentes conditions mais aussi pour caractériser l’expérience et étalonner les instruments. Les analyses de l’ensemble des données est en cours de finalisation, mais les résultats obtenus à partir des toutes premières sessions de mesure apportent déjà un progrès important par rapport à l’état de l’art : une seule session de mesure a permis d’améliorer la précision du test d’un ordre de grandeur, concluant à l’absence de violation du PE pour le couple de matériaux platine-titane, au niveau de 10 -14 . Une autre session de mesure comparant 2 masses de mêmes compositions (platine) a permis de vérifier l’absence de systématismes importants dans l’expérience puisque : aucune violation supérieure à 10 -14 n’a été détectée.

Published online:
DOI: 10.5802/crphys.24
Keywords: Equivalence principle, Space experiment, Satellite, Accelerometers, Drag free, Inertial mass, Gravitationnal mass
Pierre Touboul 1; Gilles Métris 2; Manuel Rodrigues 1; Yves André 3; Alain Robert 3

1 ONERA, Université Paris Saclay, Chemin de la Hunière, BP 80100, F-91123 Palaiseau Cedex, France
2 Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, IRD, Géoazur, 250 avenue Albert Einstein, F-06560 Valbonne, France
3 CNES, 18 avenue Edouard Belin, F-31401 Toulouse, France
License: CC-BY 4.0
Copyrights: The authors retain unrestricted copyrights and publishing rights
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