L'anomalie Pioneer a accusé la gravitation quatorze ans : c'était la chaleur des sondes
En 1998, deux sondes lancées un quart de siècle plus tôt ont mis la loi de la gravitation en accusation. Pioneer 10, partie le 2 mars 1972, et Pioneer 11, partie le 5 avril 1973, freinaient légèrement trop. Pas beaucoup : un peu moins d'un milliardième de mètre par seconde carrée, dirigé vers le Soleil. Assez, pourtant, pour que la question circule quatorze ans dans les revues de physique fondamentale : et si la loi en carré inverse cessait d'être exacte très loin du Soleil, au-delà d'une vingtaine d'unités astronomiques.
La réponse était la chaleur des sondes elles-mêmes. Elle était sur la table dès 1998, et elle a été écartée pour une raison qui paraissait solide.
Ce que les données Doppler montraient
L'article fondateur est signé John D. Anderson, Philip A. Laing, Eunice L. Lau, Anthony S. Liu, Michael Martin Nieto et Slava G. Turyshev, répartis entre le Jet Propulsion Laboratory, la Aerospace Corporation, le cabinet Astrodynamic Sciences et Los Alamos. Déposé sur arXiv le 28 août 1998, publié dans Physical Review Letters volume 81, pages 2858 à 2861, il annonce une accélération anormale d'environ 8,5 fois dix puissance moins huit centimètres par seconde carrée, dirigée vers le Soleil.
Le détail compte plus que le résumé. Le programme de détermination d'orbite du JPL donnait (8,09 plus ou moins 0,20) pour Pioneer 10 et (8,56 plus ou moins 0,15) pour Pioneer 11, dans ces mêmes unités. Un second code, CHASMP, développé à la Aerospace Corporation en dehors du JPL, sortait (8,65 plus ou moins 0,03) sur les données de Pioneer 10. Deux équipes, deux logiciels, deux stratégies d'ajustement, un résidu du même ordre.
Ces barres d'erreur méritent d'être lues pour ce qu'elles sont. Ce sont des erreurs formelles d'ajustement, et les deux codes n'étaient pas indépendants de bout en bout : les auteurs précisent qu'ils partagent les mêmes principes physiques, la même éphéméride planétaire et les mêmes entrées de temps et de mouvement polaire, et que la recherche d'éléments communs restait ouverte. La petitesse de l'erreur CHASMP tient d'ailleurs à sa méthode, un ajustement par moindres carrés sur l'orbite entière, qui ne cherchait pas de variation avec la distance.
L'étude longue de 2002, Physical Review D volume 65, article 082004, a fixé la valeur devenue canonique : 8,74 plus ou moins 1,33 fois dix puissance moins dix mètres par seconde carrée. Cette barre, quarante fois plus large que la plus serrée des erreurs formelles de 1998, est le premier budget d'incertitudes réaliste de l'affaire. Elle reposait sur environ 19 403 points Doppler de Pioneer 10, du 3 janvier 1987 au 22 juillet 1998, entre 40 et 70,5 unités astronomiques, et sur 10 252 points de Pioneer 11, du 5 janvier 1987 au 1er octobre 1990, entre 22,42 et 31,7.
Rien de tout cela n'était bricolé, et c'est ce qui a rendu l'anomalie crédible.
Le raisonnement de 1998 qui a innocenté la chaleur
L'article de 1998 examine explicitement le rayonnement thermique. Les sondes sont alimentées par des générateurs thermoélectriques à radioisotope au plutonium 238, de période 87,74 ans, qui délivraient 160 watts électriques au lancement et un peu moins de 80 watts en 1997. L'excédent de puissance et la chaleur du plutonium partent dans l'espace. Les auteurs calculent la puissance qu'il faudrait diriger pour produire l'anomalie, environ 85 watts, et constatent qu'il y en a presque autant de disponible à bord.
Puis ils écartent l'hypothèse en deux temps. D'abord une supposition : le rayonnement est présumé approximativement isotrope. Ensuite un argument de falsification, qui est le bon : si une chaleur anisotrope causait l'effet, l'accélération devrait décroître avec le temps, à mesure que la puissance à bord diminue. Or, écrivent-ils, après 1980 aucune décroissance de ce type n'était observée.
Le test était juste. Il a simplement été appliqué à des données trop courtes, avec une sensibilité trop lâche. J. I. Katz le relève dès 1998 : la constance annoncée n'était garantie qu'à 2 fois dix puissance moins huit près sur la plage 40 à 60 unités astronomiques, soit environ 24 pour cent de la valeur moyenne, alors que la chaleur rejetée n'avait décliné que d'environ 6 pour cent sur la même période. Une borne à 24 pour cent ne peut pas exclure une baisse de 6 pour cent.
Une contre-proposition immédiate, puis quatorze ans ailleurs
La communauté n'a pas attendu. J. I. Katz soumet dès le 24 septembre 1998 un commentaire, publié en 1999 dans Physical Review Letters volume 83, page 1892, qui attribue l'effet au recul de la chaleur perdue des générateurs, diffusée par l'arrière de l'antenne à grand gain. Edward M. Murphy soumet le 5 octobre 1998, page 1890 du même volume, un texte qui pointe les radiateurs passifs placés du côté opposé au Soleil. Louis K. Scheffer, dont le premier dépôt date de juillet 2001, publie en 2003, dans Physical Review D volume 67, article 084021, un modèle qui reproduit l'accélération de 5 à 71 unités astronomiques à 10 pour cent près.
Ces textes n'ont pas fermé le dossier, parce que l'étude de 2002 les a examinés un par un et rejetés. Contre Katz : seuls 2,5 pour cent environ de la surface des générateurs font face à l'antenne, ce qui ne laisse que 4 watts de puissance dirigée, soit un biais estimé à moins 0,55 plus ou moins 0,55 fois dix puissance moins huit centimètres par seconde carrée, environ 6 pour cent de l'anomalie, et les auteurs tiennent eux-mêmes ce chiffre pour une borne supérieure. Contre Murphy et Scheffer : la chaleur du compartiment central n'est pas constante, elle tombe d'environ 73 à 57 watts pendant la période de mesure, ce qui cadre mal avec une anomalie constante.
Et surtout, le même argument qu'en 1998 revient : si le mécanisme était thermique, l'accélération aurait dû baisser d'environ 0,75 fois dix puissance moins huit centimètres par seconde carrée sur les 11,5 ans de données Pioneer 10. Cette baisse n'était pas visible dans ces données.
Le reste de la littérature est parti ailleurs. La revue de Slava Turyshev et Viktor Toth, parue dans Living Reviews in Relativity volume 13, article 4, en 2010, consacre un chapitre entier aux mécanismes proposés : gravité modifiée, MOND, matière noire piégée dans le puits de potentiel solaire, mécanismes d'origine cosmologique, jusqu'à une relativité restreinte à trois échelles invariantes.
Deux coïncidences numériques ont beaucoup aidé, et la même revue prend la peine de les démonter. L'accélération vaut à peu près le produit de la vitesse de la lumière par la constante de Hubble, sauf que retomber sur la valeur observée exige une constante de Hubble d'environ 95 plus ou moins 14 kilomètres par seconde et par mégaparsec, très au-dessus des 73,2 que la revue donne alors pour valeur admise. Et la Voie lactée, approximée en masse ponctuelle à 8 000 parsecs avec 4 fois dix puissance onze masses solaires, produit 8,75 fois dix puissance moins dix mètres par seconde carrée ; sauf que cette gravité tire aussi sur le Soleil, par rapport auquel l'anomalie est mesurée, et que le résidu de marée qui subsiste est sept ordres de grandeur trop petit.
Les archives qu'on a failli détruire
Le point de bascule n'est pas théorique. Jusqu'en 2005, presque rien n'était accessible aux chercheurs, et une grande partie des archives Pioneer conservées au centre de recherche Ames de la NASA était programmée pour destruction, faute de budget. L'effort de récupération a sauvé les documents du projet de 1966 à 2003 : plans, rapports de fabrication, résultats de tests, calibrations.
En parallèle, un effort lancé au JPL en juin 2005 visait la totalité des enregistrements Doppler de la mission, près de trente ans pour Pioneer 10 et vingt ans pour Pioneer 11, contre 11,5 et 3,75 ans utilisés en 2002. La tâche s'est révélée plus dure que prévu : formats obsolètes, fichiers manquants, fichiers corrompus. Le transfert vers des supports modernes de ce qui restait lisible s'est achevé en novembre 2009. La télémétrie brute, elle, représente environ 40 gigaoctets.
Ce sont ces deux gisements, et non une observation nouvelle, qui ont résolu l'affaire.
Le modèle qui a fermé le dossier
Premier résultat : avec les données longues, la décroissance apparaît. Turyshev, Toth, Jordan Ellis et Craig B. Markwardt soumettent le 14 juillet 2011 un article publié dans Physical Review Letters volume 107, article 081103. Les arcs exploitables passent de 11,5 à 23,1 ans pour Pioneer 10 et de 3,75 à 10,75 ans pour Pioneer 11. Les données favorisent une accélération qui décroît d'environ 2 fois dix puissance moins onze mètres par seconde carrée par an, avec plus de 10 pour cent d'amélioration des résidus par rapport à une accélération constante. Les auteurs restent prudents, ils qualifient le gain de marginal et renvoient la quantification rigoureuse à des travaux ultérieurs. Mais le test de falsification posé en 1998 venait de basculer de camp.
Second résultat : le modèle thermique. Slava Turyshev, Viktor Toth, Gary Kinsella, Siu-Chun Lee, Shing M. Lok et Jordan Ellis soumettent le 11 avril 2012 un article intitulé Support for the thermal origin of the Pioneer anomaly, publié dans Physical Review Letters volume 108, article 241101.
Le travail relève de l'ingénierie, pas de la physique. Aucun fichier de conception assistée par ordinateur n'existe pour un engin dessiné quarante ans plus tôt ; le modèle a été bâti en saisissant les coordonnées des sommets de chaque surface à partir des plans retrouvés. Il compte environ 3 300 éléments de surface, 3 700 noeuds et 8 700 conducteurs linéaires, et intègre les quatorze ensembles de volets du système de régulation thermique, douze à deux lames et deux à trois lames. La puissance des générateurs est calculée à partir de 2 578,179 watts au 1er juillet 1972 et de la période du plutonium. La télémétrie de vol fournit les conditions aux limites.
Le contrôle est la partie qui compte. La puissance thermique modélisée des générateurs tombe à 1 pour cent de la valeur connue, les températures de pied d'ailette à 2 kelvins près, et l'écart quadratique moyen sur six capteurs de plateforme est de 5,1 pour cent, sur onze distances évaluées entre 3 et 80 unités astronomiques.
Il fallait peu de chose. Sur les 251,883 kilogrammes retenus pour Pioneer 10, l'anomalie représente une force d'environ 0,22 micronewton, soit le recul d'un faisceau de photons collimaté d'environ 66 watts. Au milieu de la période de mesure, les générateurs dissipaient encore plus de 2 kilowatts. Une anisotropie effective de l'ordre de 3 pour cent suffisait à tout expliquer.
Le modèle thermique donne des coefficients d'efficacité de 0,0104 pour la chaleur des générateurs et 0,406 pour la chaleur électrique. L'analyse Doppler, menée indépendamment, minimise ses résidus à 0,0144 et 0,480. La force de recul calculée vaut environ 80 pour cent de celle estimée par le Doppler, et les ellipses d'erreur à un sigma se recouvrent. Conclusion des auteurs, formulée pour Pioneer 10 : au niveau actuel de connaissance de la sonde et de sa trajectoire, aucune accélération anormale statistiquement significative ne subsiste. Pioneer 11 n'a pas été traitée au même niveau de détail, des vérifications ponctuelles n'ayant révélé aucune surprise.
L'incertitude dominante n'a rien d'exotique. Dans un budget total de 26,3 pour cent, la dégradation possible de la peinture des générateurs pèse à elle seule 25 pour cent, contre 8,1 pour cent pour toutes les autres sources réunies : trois millièmes de pouce de zircone dans un liant de silicate de sodium, dont un quart environ de la surface était exposé au Soleil, et dont personne n'avait mesuré le vieillissement sous rayonnement solaire.
Pourquoi la version populaire a tenu si longtemps
Trois choses ont maintenu l'anomalie en vie. La mesure était bonne, obtenue par deux codes distincts sur des dizaines de milliers de points. Le chiffre publié pour la contribution thermique, environ 6 pour cent, avait l'autorité d'un budget d'erreurs relu par les pairs, alors que ses propres auteurs le donnaient pour une borne supérieure. Et le seul test capable de trancher, la décroissance temporelle, exigeait un jeu de données deux fois plus long que celui qui existait alors.
L'anomalie Pioneer n'a été résolue ni par un télescope, ni par un accélérateur, ni par une théorie. Elle a été résolue en modélisant enfin correctement l'instrument lui-même, à partir de plans qu'une coupe budgétaire avait failli envoyer à la benne. Les auteurs de 2012 le formulent sans détour : l'accélération anormale de ces engins est compatible avec la physique connue.