Vers un simulateur end-to-end de MICROSCOPE-2

Towards a MICROSCOPE-2 end-to-end simulator

• Auteur / Autrice : Matthieu Dellavalle
• Direction : Joël BergÉ
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ONERA/DPHY Physique, Instrumentation, Environnement, Espace
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Gravitation

Mission spatiale

Simulation numérique

Gravitation

Space mission

Numerical simulation

Résumé

La relativité générale (RG) a été développée en postulant le principe d'équivalence (PE). Le principe d'équivalence (également nommé universalité de la chute libre) stipule que dans un champ gravitationnel donné, tous les objets tombent de la même manière, indépendamment de leur masse et de leur composition interne. Pourtant, il n'y a aucune raison, a priori, que le PE soit valide et plusieurs théories cherchant à dépasser la RG prédisent qu'il doit être violé à un niveau inconnu. C'est, par exemple, le cas des modèles inspirés de la théorie des cordes et de certains modèles de matière noire. Tester le PE est ainsi un moyen unique de tester la RG. La mission MICROSCOPE a récemment testé le PE en orbite terrestre avec une précision inédite, montrant sa validité jusqu'à un niveau de 10^(-15). Il comparait les accélérations subies par deux masses d'épreuve emboîtées, une en titane et l'autre en platine. Chaque masse d'épreuve faisait partie d'un accéléromètre électrostatique ultrasensible. Ce type d'accéléromètre, conçu et assemblé à l'ONERA, fonctionne en lévitant une masse d'épreuve grâce à des forces électrostatiques. En orbite, la mesure de ces forces donne un accès direct à la mesure de l'accélération appliquée à la masse d'épreuve par son environnement. Le but de cette thèse est de développer les premières briques d'un simulateur end-to-end de MICROSCOPE-2, une mission en cours d'étude pour améliorer les résultats de MICROSCOPE d'un facteur 100, tout en conservant un principe expérimental proche de celui de MICROSCOPE. Ce simulateur sera une pièce centrale du développement de l'instrument, de la plateforme et des caractéristiques orbitales de la mission. Basé sur la méthode des éléments finis, il permettra de modéliser la gravitation externe, la gravité locale (créée par le satellite lui-même), y compris des modèles de gravitation modifiée, les forces électrostatiques, les effets thermiques et les vibrations de la structure. En particulier, le simulateur permettra l'optimisation de la géométrie de l'instrument, la quantification et la mitigation des effets systématiques attendus, ainsi que le développement de cas scientifiques supplémentaires et leur impact sur la conception de l'instrument et du satellite.

General relativity (GR) was developed by postulating the equivalence principle (EP). The equivalence principle (also known as the universality of free fall) states that in a given gravitational field, all objects fall in the same way, regardless of their mass and internal composition. However, there is no a priori reason for the EP to be valid, and several theories seeking to go beyond GR predict that it must be violated at an unknown level. This is, for example, the case with models inspired by string theory and certain dark matter models. Testing the EP is thus a unique way to test GR. The MICROSCOPE mission recently tested the EP in Earth's orbit with unprecedented precision, showing its validity up to a level of 10^(-15). It compared the accelerations experienced by two nested test masses, one made of titanium and the other of platinum. Each test mass was part of an ultrasensitive electrostatic accelerometer. This type of accelerometer, designed and assembled at ONERA, works by levitating a test mass using electrostatic forces. In orbit, measuring these forces provides direct access to the measurement of the acceleration applied to the test mass by its environment. The aim of this thesis is to develop the first building blocks of an end-to-end simulator for MICROSCOPE-2, a mission currently under study to improve the results of MICROSCOPE by a factor of 100, while maintaining an experimental principle similar to that of MICROSCOPE. This simulator will be a central piece in the development of the instrument, the platform, and the orbital characteristics of the mission. Based on the finite element method, it will allow modeling of external gravitation, local gravity (created by the satellite itself), including modified gravity models, electrostatic forces, thermal effects, and structural vibrations. In particular, the simulator will allow the optimization of the instrument's geometry, the quantification and mitigation of expected systematic effects, as well as the development of additional scientific cases and their impact on the design of the instrument and the satellite.