Une force inconnue semble freiner deux sondes américaines lancées dans les années 1970. Les physiciens questionnent les lois de la gravitation.
Les physiciens ont beau faire et refaire leurs calculs, rien n'y fait. Rien, pour l'heure, n'explique le mystérieux ralentissement des deux sondes américaines Pioneer, qui, plusieurs décennies après leur lancement, croisent aujourd'hui aux confins du système solaire.  Faut-il pour autant modifier les lois de la gravitation énoncées par Albert Einstein voilà près d'un siècle ? Réunis à Nice du 27 au 29 octobre, dans le cadre des journées du groupe de recherche "gravitation et expérience dans l'espace" (GREX), plusieurs scientifiques commencent à l'envisager. Mais il faudra, pour cela, attendre un examen approfondi des données disponibles et élaborer une mission spatiale spécifique pour répondre à cette question.

En 1972, Pioneer-10 est lancée vers Jupiter, qu'elle survole en 1973 avant de poursuivre sa route. Le 11 février 2000, la sonde répond à un dernier ordre de la Terre. Depuis, elle court sur son erre en direction d'Aldébaran, une étoile qu'elle atteindra dans environ 2 millions d'années...

Un fait troublant a cependant ponctué cette émouvante histoire de la conquête spatiale. Dans les années 1980, les ingénieurs de la NASA décèlent en effet une bizarrerie dans la trajectoire de la sonde, baptisée depuis "anomalie Pioneer" : l'engin, qui file à plus de 12 kilomètres par seconde, est plus proche du Soleil (400 000 kilomètres) que ne le prévoyaient les calculs. Comme si une mystérieuse force le freinait. Comme si l'astre du jour refusait de relâcher son étreinte gravitationnelle sur l'engin.

Erreur de mesure ? Pioneer-11, lancée peu de temps après dans la direction opposée de sa jumelle, semble obéir, elle aussi, à une mystérieuse force de même intensité. Près de dix-huit ans de travaux seront nécessaires pour se convaincre de la réalité de cet effet observé sur les deux sondes.

Les ingénieurs du Jet Propulsion Laboratory (JPL) à Pasadena (Californie) passeront en revue toutes les causes possibles de cette surprenante force : rayonnement des antennes, fuite de gaz, etc. Pour s'assurer que rien ne leur échappe, ils analysent la conception de la sonde en détail, allant jusqu'à "recueillir de précieux renseignements auprès des ingénieurs à la retraite qui avaient travaillé sur ce programme spatial", raconte Slava Turyshev, physicien au JPL.

Le doute prend corps dès la publication, en 1998, dans les Physical Review Letters des premières analyses concluant à l'absence de causes techniques. "Si aucune explication à cette anomalie en termes de physique classique n'existait, il fallait envisager quelque chose de nouveau, de la physique non conventionnelle, comme modifier les lois de la gravitation, se souvient Serge Reynaud, directeur du GREX. Et personne n'était prêt à franchir ce pas." Avec le temps, le doute s'insinue et les physiciens s'évertuent à imaginer des scénarios d'explication.

Le premier postule la présence de "quelque chose" qui altérerait la trajectoire des sondes aux confins du système solaire. Certains évoquent l'existence d'une matière noire analogue à celle qu'invoquent les astrophysiciens pour expliquer les anomalies de rotation des galaxies. Or cette matière noire n'a encore jamais été observée. "Tant qu'elle n'aura pas été détectée par d'autres moyens, les anomalies de rotation des galaxies ou la dynamique des amas peuvent être décrites comme des modifications de la gravitation aux très grandes échelles", explique M. Reynaud.

Cette idée peut être testée sur des expériences faites dans le système solaire. Bien connue depuis la publication des premiers travaux d'Isaac Newton, en 1687, la force gravitationnelle est, des quatre forces fondamentales qui gouvernent l'Univers, celle qui demeure la moins bien vérifiée. Aux petites échelles - distances inférieures à un millimètre - comme aux échelles supérieures à 10 000 milliards de kilomètres, c'est-à-dire la taille du système solaire. L'anomalie de Pioneer serait-elle le premier signe d'une altération des lois de la gravitation à cette échelle ?

Modifier ces lois n'est pas une mince affaire. Tout arrangement doit rester compatible avec les mécanismes de la gravitation établis à l'échelle des mouvements planétaires observés autour de notre Soleil. Marc-Thierry Jaekel et Serge Reynaud estiment qu'ils sont parvenus à intégrer l'anomalie de Pioneer dans le cadre de la relativité générale.

Ce travail, limité au système solaire, a été présenté vendredi 29 octobre à Nice. Il prédit également une légère modification de la déviation de la lumière au voisinage des astres massifs. Une altération que devront étudier les futurs engins d'astrométrie spatiale. "Si après l'examen de tous les tests de la gravité dans le système solaire ce travail reste valide, il faudra valider cela à l'échelle des galaxies", prévient Serge Reynaud.

D'autres scénarios où intervient la gravitation ont été envisagés, mais aucun n'est satisfaisant. Ainsi, Mordehai Milgrom, physicien de l'Institut Weizmann de Rehovot (Israël), a proposé dès 1983 une décroissance moins rapide de l'intensité de la force newtonienne. Initialement imaginée pour expliquer la rotation des galaxies sans recourir à la notion de matière noire, cette théorie peut expliquer l'anomalie de Pioneer.

Cependant, la gravitation modifiée de Milgrom ne repose sur aucun fondement théorique. La plupart des physiciens objectent qu'elle viole un principe cardinal, pierre angulaire de la gravitation d'Einstein : le principe dit d'équivalence.

Des expériences spatiales visent d'ailleurs à tester ce principe avec une précision encore accrue à travers sa conséquence la plus connue : l'universalité de la chute libre. Ainsi, en l'absence d'autres forces que la gravité, deux masses différentes se meuvent à des vitesses identiques. Toute nouvelle théorie de la gravité se doit de respecter ce principe.

L'anomalie de Pioneer n'est pas la seule raison qui pousse à tester les limites de la gravitation. Depuis longtemps, les théoriciens cherchent à associer étroitement cette force aux autres forces fondamentales de la nature, celles qui régissent le comportement des particules. De ce point de vue, les expériences spatiales pourraient fournir de précieuses informations aux théoriciens qui cherchent à unifier ces forces dans un grand modèle qui décrirait le monde.

Deux phénomènes bizarres confortent les physiciens dans l'idée que le royaume de la gravitation réserve encore bien des surprises. D'abord, la mise en évidence, en 1998, d'une accélération de l'expansion de l'Univers qui serait due à une mystérieuse "énergie noire" encore à découvrir. Ensuite, l'existence d'une matière noire, invisible, impliquée dans les anomalies de rotation des galaxies et qui, avec l'"énergie noire", constituerait 96 % de l'énergie de l'Univers !

L'anomalie de Pioneer témoignerait-elle de l'existence de tels effets à l'échelle du système solaire ? Pour le savoir, l'Agence spatiale européenne (ESA) pourrait donner vie à un programme spécifique que des scientifiques lui ont proposé le 17 septembre.

Philippe Pajot