Le SQUID, un système chinois de détection de gravité qui pourrait repérer les sous-marins américains

Des chercheurs chinois ont dévoilé le mois dernier un détecteur de gravité d’une précision inégalée, ouvrant la voie à de nouvelles applications militaires de cette technologie. Cet instrument utilise un dispositif supraconducteur à interférence quantique (SQUID) pour détecter des objets en mesurant d’infimes variations de gravité. Si l’équipe qui l’a développé, affirme qu’il peut servir à la recherche scientifique et à la prospection de ressources souterraines ; il rapproche également la Chine de son objectif : être capable de repérer les sous-marins nucléaires en patrouille.

Selon un rapport publié sur le site web de l’Académie chinoise des sciences (CAS), cet instrument réduit le bruit de mesure du gradient de gravité – des effets extérieurs susceptibles de perturber la précision d’un détecteur de gravité, tels que les vibrations dues à l’activité sismique – à un niveau surpassé seulement par les détecteurs d’ondes gravitationnelles construits à l’échelle kilométrique.

L’Observatoire d’ondes gravitationnelles par interférométrie laser (LIGO) aux États-Unis, qui utilise des miroirs espacés de 4 km pour étudier le cosmos, est un exemple de ce type de détecteur. L’instrument conçu par l’équipe de la CAS, quant à lui, a la taille d’un box de bureau.

Les méthodes de détection sous-marines existantes – sonar, détection d’anomalies magnétiques et radar – peuvent être contournées. En revanche, la gravité, elle, ne peut être masquée.

Des recherches antérieures suggèrent que la détection des sous-marins nucléaires de classe Ohio de l’US Navy par gravité est envisageable. Bien que le nouvel instrument du CAS n’atteigne pas encore le niveau de sensibilité estimé nécessaire à la localisation des sous-marins, il constitue un pas important vers cet objectif.

Cependant, les images publiées avec le rapport montrent que l’instrument n’a pas été installé dans un environnement de laboratoire hautement contrôlé, ce qui laisse entrevoir son utilisation pratique dans des « environnements normaux », selon la terminologie des chercheurs.

Ce projet, connu sous le nom de mesure de la force faible supraconductrice, exploite astucieusement l’effet Meissner : refroidi en dessous d’une température critique, un supraconducteur expulse les champs magnétiques et repousse ainsi les aimants environnants. Grâce à ce principe, les scientifiques suspendent un objet de masse connue dans un champ magnétique, éliminant ainsi tout frottement.

Le système repose également sur le SQUID, le capteur magnétique le plus sensible au monde. Lorsqu’une force extérieure, comme la gravité, déplace l’objet suspendu, le SQUID mesure avec précision le signal électrique résultant.

En termes simples, la suspension supraconductrice rend l’objet suspendu extrêmement sensible à toute force extérieure. Le SQUID mesure alors les infimes mouvements induits par cette force, permettant aux scientifiques d’en calculer l’intensité. En comparant l’attraction gravitationnelle exercée sur plusieurs objets placés à une distance donnée, ils peuvent créer une carte très détaillée du champ gravitationnel. Cette carte peut ensuite être analysée pour localiser des objets.

L’équipe du Centre expérimental des ondes gravitationnelles de l’Institut de mécanique de l’Académie chinoise des sciences (CAS) a consacré des années à perfectionner cette technologie. Le dernier instrument, la troisième génération du projet, utilise quatre objets suspendus et des mesures différentielles pour réduire le bruit ambiant. Ceci permet de résoudre les compromis nécessaires aux générations précédentes entre sensibilité et adaptabilité, et autorise des mesures à ultra-haute résolution même dans un environnement « normal ».

Des experts d’institutions telles que l’Institut d’optique et de mécanique fine de Shanghai, l’Institut national de métrologie, la China Shipbuilding Industry Corporation et l’Université Tsinghua ont évalué le système sur place.

Selon le rapport de la CAS, les résultats placent l’instrument au rang de « meilleur au monde ».

« Cette avancée fournira un nouvel outil expérimental pour la recherche en astrophysique et en physique, notamment pour la détection des ondes gravitationnelles, tout en offrant des avantages pour l’exploration géophysique, la surveillance hydrologique et la recherche géologique », précise le rapport.

La Chine a réalisé des progrès considérables dans la mesure de la gravité. Fin 2019, le satellite Tianqin-1 a été lancé pour collecter des données sur le champ gravitationnel mondial, faisant de la Chine le troisième pays – après les États-Unis et l’Allemagne – capable de mener de telles mesures de manière indépendante. Le programme Tianqin, plus vaste, prévoit le déploiement d’un observatoire spatial d’ondes gravitationnelles composé de trois satellites en orbite autour de la Terre d’ici 2035 environ.

Un détecteur de gravité au sol, développé indépendamment par l’Institut de recherche en technologies de l’industrie de la mesure quantique de Changsha à la fin de l’année dernière, peut mesurer la gravité de surface avec une précision de huit décimales, répondant ainsi aux normes internationales les plus exigeantes.

Une étude menée en 2019 par des chercheurs de l’Université de Wuhan, de la China Shipbuilding Industry Corporation et de l’Académie des opérations spéciales de l’Armée populaire de libération (APL) a simulé un sous-marin de classe Ohio, dont certains embarquent des ogives nucléaires américaines. Elle a conclu que des gravimètres aéroportés d’une précision de 0,01 exavolt (EV) par racine carrée de hertz à une fréquence de 1 hertz pourraient détecter un sous-marin à 220 mètres de profondeur.

Avec une précision de 0,02 EV, le système d’instruments de CAS s’approche de ce seuil. Cependant, d’importants obstacles pratiques subsistent avant qu’il puisse être utilisé pour la détection de sous-marins.

L’un des défis consiste à sortir le système supraconducteur du laboratoire et à le déployer de manière stable sur un aéronef ou un navire, avec la compensation de mouvement nécessaire. Bien que des détecteurs de gravité aéroportés existent déjà, aucun n’est utilisé pour des tâches exigeant le niveau de sensibilité requis pour la détection d’un sous-marin.

Un autre problème pratique consiste à identifier une mesure gravitationnelle particulière comme provenant d’un sous-marin. Cela pourrait nécessiter un balayage préalable de certaines zones océaniques afin de constituer une base de données de référence. La portée constitue un autre obstacle. L’étude de 2019 suggérait que, pour détecter les sous-marins et atteindre la portée des instruments modernes de détection magnétique marine, un détecteur de gravité devrait avoir une sensibilité de 0,0001 EV.

L'analyse de la rédaction :

1 exavolt = 10 puissance 18 v, 1 trillon v ou encore 1 000 000 000 000 000 000 volts.

Référence :

South China Morning Post (Hong Kong)