Premiers résultats pour LISAPathfinder: feu vert pour la mission LISA

Les premiers résultats de la mission LISAPathfinder ont été présentés ce mardi 7 juin dans une conférence de presse organisée par l’ESA, et publiés dans la revue Physical Review Letters. Et ils sont encore meilleurs que prévu.

Cette mission technologique a été lancée le 3 décembre de Kourou (regardez le lancement ici et rencontrez l’équipe technique qui a participé à un hangout de Gravity ! quelques heures avant le lancement).

Cette mission teste un aspect clef du futur observatoire spatial d’ondes gravitationnelles, nommé LISA : elle mesure la variation de distance, liée au passage d’une onde gravitationnelle, entre deux masses d’épreuve qui sont en chute libre, c’est-à-dire qui suivent des trajectoires sous l’action de la seule force gravitationnelle. Afin de protéger les masses de toute perturbation, un ingénieux système, dit « à compensation de traînée », a été conçu. Il consiste à utiliser le satellite pour protéger de toute perturbation la masse d’épreuve placée en son centre.

Pour en comprendre le fonctionnement, imaginez qu’une micrométéorite heurte le satellite: le satellite se déplace latéralement, la masse d’épreuve n’est donc plus centrée, le satellite détecte cette anomalie grâce à ses capteurs et actionne ses micro propulseurs pour se recentrer autour de la masse d’épreuve.

Bien entendu, un tel dispositif n’est jamais parfait, et la masse d’épreuve ressent de très faibles perturbations, mais le but de LISAPathfinder est de démontrer que les perturbations sont suffisamment faibles pour détecter avec confiance des ondes gravitationnelles.

Quantitativement, le but est de minimiser les forces parasites agissant sur les masses d’épreuve. Mais une force provoque une accélération et l’objectif de LISAPathfinder est donc de minimiser les accélérations parasites (on parle de bruit d’accélération). L’objectif initial de la mission était d’atteindre, sur une période de 1000 secondes, un bruit d’accélération  inférieur à une fraction de l’accélération de pesanteur de l’ordre de 10-13. C’est un facteur dix moins bon que ce qui sera nécessaire pour la mission LISA.

LISAmission

 

Comme réaliser cela? Dans la future mission LISA, les masses test sont placées au centre de chaque satellite, à 5 millions de kilomètres de l’un de l’autre. Les rayons laser relient les trois satellites, formant ainsi un gigantesque triangle. Les variations relatives de distance sont mesurées par interférométrie, exactement comme les détecteurs terrestres, tels que LIGO.

 

 

Dans LISAPathfinder, un bras de la future mission LISA est réduit à 38 cm de façon à localiser les deux masses test dans un seul satellite. La distance entre ces deux masses est  contrôlée par des faisceaux laser qui forment un interféromètre très similaire à celui envisagé pour LISA (si ce n’est la distance parcourue par les faisceaux).

ESA_LISA_Pathfinder_LTP_Interferometer

Il n’est pas possible d’avoir les deux masses en chute libre simultanément, car leurs orbites sont très semblables mais pas exactement identiques. C’est pourquoi l’on utilise l’une des masses comme référence, alors que l’autre masse est laissée libre. C’est cette seconde masse dont on vérifie qu’elle est en chute libre, au moins dans les limites requises de bruit d’accélération.

« Les mesures ont dépassé nos attentes les plus optimistes » a commenté Paul McNamara, Responsable Scientifique ESA de la mission. « Nous avons atteint le niveau de précision requis à l’origine pour LISAPathfinder dès le premier jour, et nous avons donc passé les semaines suivantes à améliorer les résultats en faisant cinq fois mieux ».

Effectivement, comme montré sur la figure suivante qui est tirée de l’article publié, le bruit d’accélération atteint est 5 fois plus petit que celui qui était requis, en fait il est presque du niveau de ce qui est nécessaire pour la mission LISA, et même meilleur aux hautes fréquences.

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« Non seulement on voit les masses d’épreuve pratiquement immobiles, mais on a identifié avec une précision sans précédent la plupart des forces minuscules qui les perturbent », explique Stefano Vitale, chercheur responsable scientifique de la mission.

Ce succès donne évidemment le feu vert pour l’observatoire spatial d’ondes gravitationnelles, la troisième grande mission (L3) de l’Agence Spatiale Européenne, connue sous le nom de LISA (ou eLISA). Cette mission était originellement prévue pour un lancement en 2034 mais le succès de la mission technologique, et la découverte historique des ondes  gravitationnelles par le détecteur LIGO, offrent des arguments forts pour avancer significativement le calendrier.

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