LISA Pathfinder : Réussite et fin de la mission

« Non seulement nous avons dépassé les exigences requises pour LISA Pathfinder, mais nous avons aussi atteint le niveau de précision demandé pour LISA sur toutes les fréquences : Nous sommes définitivement prêts à passer à la prochaine étape. » Karsten Danzmann*.

Nous avons débuté la Saga de LISA Pathfinder le 18 juin 2017 et suivi cette mission avec vous et les chercheurs impliqués pendant exactement deux années. Le but de LISA Pathfinder était de valider la technologie qui sera utilisée lors de la future mission LISA. C’est à dire de placer deux masses d’épreuve dans chacun des trois satellites de la constellation LISA, laquelle est destinée à la détection des ondes gravitationnelles dans l’espace.

Non seulement la mission LISA Pathfinder a surpassé ses objectifs, mais la mission LISA vient d’être officiellement sélectionnée par l’ESA, dans le cadre des missions lourdes du programme scientifique (L3). Avec la détection pour la troisième fois d’ondes gravitationnelles émises lors de la fusion de deux trous noirs annoncée le mois dernier par la collaboration Advanced LIGO, nous sommes définitivement entrés dans l’ère de l’astronomie gravitationnelle.

 

La mission LISA Pathfinder effectuera ses derniers tests et recevra ses ultimes instructions le 18 juillet 2017.

 

Vous pouvez retrouver tous les détails des performances de la mission LISA Pathfinder sur le site de l’ESA (en anglais):

http://sci.esa.int/lisa-pathfinder/59238-lisa-pathfinder-to-conclude-trailblazing-mission/

and

http://sci.esa.int/lisa-pathfinder/59262-lisa-pathfinder–not-resting-on-its-laurels/

 

Nous avons adoré suivre cette splendide expédition avec vous. Et nous en attendons encore d’autres comme celle-ci dans les années à venir.

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*Directeur au Max Planck Institute for Gravitational Physics, Directeur du Institute for Gravitational Physics of Leibniz Universität Hannover, Germany, Co-Principal Investigateur de LISA Technology Package, et lead proposer de LISA.

Image : LISA Pathfinder in space. Credit: ESA/C. Carreau

 

Une nouvelle session de Gravity! (en anglais) débute le lundi 30 janvier

Une nouvelle session en anglais du cours sur internet (MOOC) Gravity! commence le lundi 30 janvier pour six semaines sur la plateforme FutureLearn. Vous pouvez vous inscrire ici pour ce cours gratuit et ouvert à tous.

Depuis sa première diffusion ce cours a atteint près de 90 000 inscriptions, versions anglaise et française confondues. Cette nouvelle session suit le même programme que la précédente. Elle passe en revue l’émergence des principaux concepts de Galilée à Newton et Einstein, avant de discuter les aspects majeurs de la  gravité dans l’Univers – Big Bang, expansion et inflation cosmique, fond cosmologique, matière sombre, énergie sombre, trous noirs et pour finir avec les ondes gravitationnelles, dont la détection a été annoncée il y a presqu’un an. Rejoignez-nous dans cette aventure !

Gravity! est pour toutes celles et ceux qui sont curieux des mystères de l’Univers. Il vous invite à comprendre, sans pré-requis en physique ou maths, les fondements de la théorie d’Einstein et ce qui fait de la gravité « le moteur de l’Univers ».

Le cours Gravity! est produit par le Paris Centre for Cosmological Physics et le Fonds de Dotation Physique de l’Univers de l’Université Paris Diderot.

Deux membres de l’équipe de Gravité! reçoivent une bourse L’Oréal-UNESCO Pour les Femmes et la Science

Le 12 octobre ont été annoncées à Paris les bourses L’Oréal-UNESCO pour les Femmes et la Science. Chaque année, ces prix permettent à des jeunes femme scientifiques de grand talent de poursuivre des projets de recherche prometteurs. Deux membres de l’équipe Gravité! ont été honorées à cette occasion.

 

valerie

 

Valerie Domcke est boursière PCCP à l’Université Paris Diderot. Elle a reçu son doctorat en physique théorique à l’Université de Hambourg, avant de faire un séjour postdoctoral à Trieste. Elle a rejoint le Paris Centre for Cosmological Physics (PCCP) en Octobre 2015. Elle travaille actuellement sur la physique de l’Univers primordial et sur les ondes gravitationnelles. Elle est particulièrement intéressée par l’interface entre la physique des particules et la physique de l’Univers.

 

eleonora

 

Eleonora Capocasa effectue actuellement son travail de thèse dans le laboratoire APC au sein de l’équipe Virgo (en tant que membre de la  collaboration LIGO-Virgo, elle a signé le papier de découverte des ondes gravitationnelles en février dernier). Elle travaille sur la façon d’améliorer la sensibilité de la détection des ondes gravitationnelles.

Félicitations à toutes les deux! Et formons le voeu que leur exemple attirera de nombreuses autres jeunes femmes scientifiques vers le domaine de l’astronomie gravitationnelle. 

Une vie de proton

 

 

Un de nos plaisirs est de découvrir des petits bijoux parmi les messages postés sur le forum du cours Gravité!. Nous en avons déjà une belle collection already have a great collection. En hommage à toutes les brillantes contributions que nous avons reçues, nous avons décidé de mettre en avant la belle histoire dont Damien Pigret, participant inspiré de la seconde session de Gravité! nous a régalé. Parce que c’est encore l’été, nous proposons cette belle histoire sous forme d’un feuilleton Une vie de proton, publié en 4 épisodes tous les lundis. Dégustez!

Pierre Binétruy

Les ondes gravitationnelles frappent à nouveau la terre : GW151226

Les collaborations LIGO et Virgo ont annoncé aujourd’hui 15 juin lors de la 228 éme conférence de la Société Américaine d’Astronomie à San Diego une nouvelle détection d’ondes gravitationnelles. Simultanément un article a été publié dans Physical Review Letters.

L’évènement a été observé le 26 décembre 2015 à 3.38.53 UTC par les deux détecteurs LIGO de Livingstone et de Hanford (1.1 milliseconde plus tard). Cet évènement, interprété comme la fusion de deux trous noirs, n’est pas aussi puissant que celui annoncé en février et donc le signal est moins spectaculaire.

GW151226

L’une des raisons est que les deux trous noirs ne sont pas aussi massifs que lors de l’événement de « découverte » GW150914 : les deux trous noirs sont respectivement de 14 et 8 masses solaires, et le trou noir final est de 21 masses solaires. L’analyse utilise des « formes d’ondes » prédites par la théorie et les compare au signal. Le rapport signal sur bruit (la façon quantitative utilisée par les physiciens pour exprimer le fait que le signal ressort du bruit de fond dans le détecteur) est estimé à 13, à comparer avec 24 dans le cas de GW150914.

L’évènement s’est déroulé il y a 1,4 milliards d’années lumière.

En raison de la plus grande durée du signal dans le détecteur, que lors de la première détection, la collaboration LIGO-Virgo a pu déterminer que l’un des deux trous noirs (ainsi que le trou noir final) était en rotation.

Durant la conférence de presse de l’AAS, la collaboration a rappelé qu’un autre évènement (déjà mentionné dans la publication de la découverte) est probablement également une fusion de trous noirs. Appelé LVT151012, LVT pour LIGO Virgo Trigger (« trigger » veut dire « déclenchement »), il a été observé le 12 octobre 2015. Le rapport signal sur bruit étant de 9,7,  la collaboration n’est pas suffisamment confiante pour pouvoir en parler comme d’une découverte. S’il correspondait bien à la fusion de trous noirs, la masse du trou noir final serait de 35 masses solaires.

Si l’évènement du 11 février concluait un siècle de recherches des ondes gravitationnelles, l’annonce d’aujourd’hui ouvre de toute évidence l’ère de l’astronomie des ondes gravitationnelles.

Nous aurons une belle occasion de parler de cette nouvelle découverte pendant le hangout qui se tiendra jeudi 16 juin en conclusion de la deuxième session du cours en anglais Gravity!

 

Jeudi 16 juin: Hangout Gravity! en direct de Stanford sur les trous noirs et les ondes gravitationnelles

Pierre Binétruy et George Smoot vous invitent à participer à un hangout du Mooc Gravity! dont le thème portera sur les trous noirs et les ondes gravitationnelles. Il sera retransmis ce jeudi 16 juin à 21h00 heure de Paris (19h00 UTC, 20h00 à Londres, 12h00 en Californie), en direct du Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) au SLAC, de l’Université Stanford. Et donc en anglais …

KIPAC_logoLe Hangout  sera retransmis en direct sur Google Hangout et Youtube pendant environ 60 minutes, et vous pourrez y suivre les questions et les réponses. Même si vous n’êtes pas inscrits à cette session du cours en anglais Gravity! vous pouvez dès à présent poser vos questions ci-dessous et sur Twitter en utilisant le hashtag #FLGravity.

Les deux évènements qui seront couverts durant ce hangout sont les premiers résultats  de la mission LISAPathfinder , ainsi que les tout derniers résultats de la collaboration LIGO-Virgo.

Nos invités seront :

tom_abel

Tom Abel est directeur du Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology du laboratoire National SLAC et l’Université de Stanford. Son équipe explore le premier milliard d’années de l’histoire de l’Univers à partir de calculs ab initio utilisant des superordinateurs . Il a démontré que les premiers objets lumineux sont des étoiles super massives et a développé un nouvel algorithme numérique utilisant des méthodes d’adaption de maillage permettant de prendre en compte plus de 14 ordres de grandeur en échelles de longueur et de temps. Plus récemment, il a innové avec un nouvel algorithme pour étudier les fluides sans collision tels que la matière noire.

 

roger

 

Roger Blandford, originaire d’Angleterre, occupait un poste de professeur à Caltech depuis 1976 quand en 2003 il a rejoint l’Université de Stanford pour devenir le premier Directeur du Kavli Institute of Particle Astrophysics and Cosmology. C’est un expert mondialement reconnu en trous noirs astrophysiques, cosmologie, lentilles gravitationnelles, physique des rayons cosmiques et étoiles massives.

 

 

 

 

michael_landryMichael Landry est le scientifique responsable de la détection à l’observatoire LIGO de Hanford dans l’état de Washington, et physicien à Caltech (California Institute of Technology). Michael a débuté son travail sur les ondes gravitationnelles comme postdoctorant à Caltech en 2000 puis, affecté à l’observatoire LIGO de Hanford, il y est resté comme chercheur. De 2010 à 2015, il a dirigé l’installation du détecteur avancé LIGO de Hanford. Ce travail de collaboration entre les scientifiques de LIGO et la collaboration Virgo, rassemblant un millier de personnes, a culminé lors de la première détection d’ondes gravitationnelles en provenance de la fusion de deux trous noirs annoncée le 11 février 2016.

 

stefano_vitale1Stefano Vitale est Principal Investigator (P.I.) de la mission LISAPathfinder. Il est professeur à l’Université de Trento en Italie et une des personnes clef de la communauté Européenne des ondes gravitationnelles. Il a travaillé sur le détecteur acoustique cryogénique AURIGA avant de rejoindre la mission LISA où il dirige la participation italienne. Il a développé à Trento le laboratoire  qui a conçu le le capteur inertiel qui est au coeur de la mission LISAPathfinder.

 

Une nouvelle session de Gravity! (en anglais) commence ce lundi 9 mai

La nouvelle session en anglais du cours sur internet (MOOC) Gravity! commence ce lundi 9 Mai pour six semaines, faisant immédiatement suite à la session en français qui se termine sur la plate-forme FUN. Vous pouvez vous inscrire ici sur la plate-forme FutureLearn pour le cours en anglais. Le cours est gratuit et l’inscription est ouverte à tous.

La première session de ce cours a attiré plus de 70 000 inscrits l’automne dernier. Cette nouvelle session suit le même programme: elle passe en revue l’émergence des principaux concepts de Galilée à Newton et Einstein, avant de discuter les aspects majeurs de la  gravité dans l’Univers -Big Bang, expansion et inflation cosmique, fond cosmologique, matière sombre et énergie sombre. Nous avons du réorganiser les deux dernières semaines du cours qui traitaient des trous noirs et des ondes gravitationnelles, pour donner toute sa place à la superbe découverte des ondes gravitationnelles annoncée en février dernier. Ce sera certainement le clou de ce cours!

Gravity! est pour toutes celles et ceux qui sont curieux des mystères de l’Univers. Il vous invite à comprendre, sans pré-requis en physique ou maths, les fondements de la théorie d’Einstein et ce qui fait de la gravité « le moteur de l’Univers ».

Le cours Gravity! est produit par le Paris Centre for Cosmological Physics de l’Université Paris Diderot, avec, pour cette session, une participation invitée du Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology de  Stanford.

Voyez le lancement de la mission Microscope en direct de Kourou

Le lancement de la mission Microscope qui testera le principe d’équivalence à une précision inégalée était prévu vendredi 22 avril,  à 21h02 UTC (18h02 heure de Kourou, 23h02 heure de Paris) du pas de tir de  Kourou, en Guyane française, et repoussé au dimanche 24 avril même heure pour cause de météo.Il a de nouveau été repoussé à cause d’un problème technique sur le lanceur Soyuz et reprogrammé le lundi 25 Avril à 21h02 UTC (23h02 heure de Paris). Le lancement a été un succès et le satellite est désormais sur son orbite à 710 km d’altitude.

Le principe d’équivalence, selon lequel une accélération est équivalente à un champ gravitationnel, est un des fondements de la théorie d’Einstein. Mais les théories modernes qui tentent d’unifier la gravité avec les autres forces fondamentales ont tendance à violer ce principe. Voyez ici pourquoi.

Le principe de la mesure de Microscope est expliqué ici.

La retransmission du lancement est disponible ci-dessous:

Pourquoi tester le principe d’équivalence?

Commençons par rappeler ce qu’est le principe d’équivalence.

Le principe d’équivalence exprime une propriété qui est au fondement de la théorie de la relativité générale  d’Einstein : l’équivalence entre accélération et champ gravitationnel. Plus précisément, les observations faites dans un système en accélération (par exemple une fusée) sont indistinguables de celles faites dans un champ gravitationnel (par exemple sur Terre).

equivalence_fr

Ceci permet de mieux comprendre la notion de masse, qui décrit en fait deux concepts apparemment indépendants:

  • la masse d’un objet matériel caractérise la façon dont il couple au champ gravitationnel; par exemple un objet plus massif est soumis à une plus grande attraction à la Terre, un plus grand poids. Cette masse est appelée la masse gravitationnelle.
  • la masse d’un objet matériel caractérise son inertie, c’est-à-dire sa résistance aux changements de mouvement. Cette masse est appelée la masse inertielle. Puisque l’accélération correspond à un changement de vitesse, donc un changement de mouvement, c’est cette masse qui apparait dans la fameuse loi du mouvement: force = masse x accélération.

Le principe d’équivalence nous dit que masse gravitationnelle et masse inertielle sont identiques. C’est pourquoi il est si difficile de prime abord de distinguer la notion de poids (reliée à la masse gravitationnelle) de celle d’inertie (reliée à la notion de masse inertielle).

Ce principe a des conséquences importantes. Prenez par exemple un kilogramme d’or et un de platine. Ils résistent de façon identique à des changements de mouvement: ils ont la même masse inertielle. Ils ont donc la même masse gravitationnelle et des mouvements identiques dans un champ gravitationnel; ils sont par exemple attirés de la même façon par la Terre. Ceci a été vérifié au sol jusqu’à une précision d’un pour 10 000 000 000 000 (soit 10-13).

Mais les théoriciens ne sont pas complètement satisfaits avec la théorie d’Einstein. Ils aimeraient unifier la relativité générale avec la théorie quantique qui décrit les forces non gravitationnelles. Ils doivent donc changer, quoique de façon très subtile, la description de l’attraction gravitationnelle. Mais en agissant ainsi, ils perdent souvent l’identification entre masse gravitationnelle et masse inertielle.

Considérons par exemple la théorie des cordes où les objets de base ne sont plus des  particules ponctuelles mais des objets unidimensionnels microscopiques (les cordes!): nos bonnes vieilles particules sont considérées comme des grains d’énergie qui correspondent à des modes de vibration de ces cordes fondamentales. Nous avons l’habitude des cordes (de violon) émettant des ondes (sonores), mais rappelez-vous que, dans le monde microscopique, ondes et particules sont unifiées dans un concept unique (les deux faces d’une même pièce si vous préférez). C’est pourquoi différents types d’oscillations des cordes fondamentales microscopiques correspondent à différents types de particules, avec des énergies différentes E, donc des masses différentes m (E=mc2).

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Maintenant, dans une telle théorie, la force gravitationnelle entre deux particules/ondes est comprise comme une oscillation, ou une série d’oscillations de la corde sous-jacente. Et il n’est pas du tout évident que la force gravitationnelle entre disons deux protons est identique à la force gravitationnelle entre deux neutrons, ou entre un proton et un neutron. Ainsi, si deux objets matériels ont la même masse inertielle mais un nombre différent de protons et de neutrons, ils pourraient tomber différemment dans le champ gravitationnel de la Terre. Ils auraient alors des masses gravitationnelles différentes. Ceci conduit à une violation du principe d’équivalence.

C’est exactement ce que la mission Microscope cherche à tester, en gagnant deux ordres de grandeur sur les expériences existant sur Terre (10-15).

Comment tester le principe d’équivalence dans l’espace? La mission Microscope

Le but de la mission Microscope est de tester le principe d’équivalence avec une précision de deux ordres de grandeur meilleure que ce qui est réalisé sur terre, plus précisément au niveau de 10-15 soit 1/1 000 000 000 000 000ème (les membres de la mission aiment à dire que c’est la différence de poids d’un tanker de 500 000 tonnes quand une mouche drosophile de 0.5 milligramme se pose sur le pont).

coaxial_cylindersDe façon à réaliser cela, on doit comparer la chute libre de deux objets de composition différente (voir ici pourquoi). Mais les deux objets doivent sentir exactement le même champ gravitationnel, et donc être placé au même point dans l’espace. Dans Microscope, ce sont deux cylindres coaxiaux de matériaux différents – l’un en titane et l’autre dans un alliage en platine-rhodium – dont les centres de masse coïncident (comme montré sur la figure à droite).
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En fait, la mission Microscope a deux dispositifs (voir à gauche): un avec deux cylindres de même matériau, et un avec deux cylindres de matériaux différents. Ceci permet de s’assurer que tout effet observé avec les deux cylindres différents n’est pas observé avec les deux cylindres identiques.

 

 

 

 

En fait, les cylindres ne sont pas strictement en chute libre. Rappelez-vous qu’un objet en  orbite n’arrête pas de tomber, mais avec une vitesse horizontale.Le  satellite, et les deux cylindres coaxiaux, sont en orbite mais ils ont des mouvements légèrement différents: le satellite est sujet à des perturbations  non-gravitationnelles (induisant des frottements qu’on appelle poussée) qui sont compensés par des micro-propulseurs. Et, dans le cas où le principe d’équivalence serait violé, les deux masses cylindriques auraient de petites différences de mouvement. Dans l’expérience Microscope, elles sont forcées à suivre le même mouvement au centre du satellite en exerçant sur elles des forces électrostatiques, ou, si vous préférez, des accélérations externes. Si les accélérations que l’on doit exercer sont différentes sur les deux masses, ceci veut dire que leur mouvement naturel est différent: il y a violation du principe d’équivalence. Autrement dit, des accélérations différentes sur les deux masses cylindriques veulent dire des mouvements gravitationnels différents. Une autre belle  illustration de l’équivalence entre accélération et champ gravitationnel!

 

Il est très important de s’assurer que l’effet observé peut être attribué à une violation du principe d’équivalence, et non à un mauvais fonctionnement du dispositif. Pour ce faire, les physiciens ont une façon astucieuse de moduler le signal, c’est-à-dire de faire varier le signal potentiel de violation avec le temps à une fréquence connue. Voici l’astuce.

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Le satellite suit une orbite quasi-circulaire à une altitude de 710 km. L’axe des cylindres pointe dans une direction fixe par rapport aux étoiles distantes, et la mesure de l’accélération est faite le long de cet axe. Comme vous pouvez le voir sur la figure ci-dessus, il y a des positions le long de l’orbite où l’attraction gravitationnelle est perpendiculaire à cet axe, et donc non active le long de cet axe. Il y a d’autres positions où elle est parallèle ou antiparallèle, et l’effet est alors maximal. De cette façon, on module l’effet avec une fréquence connue qui est directement reliée à la fréquence de rotation le long de l’orbite. Tout effet de violation du principe d’équivalence doit avoir une telle modulation.

 

 

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De façon à conforter encore le résultat, les physiciens de Microscope ont décidé aussi de mettre en rotation le satellite autour d’un axe perpendiculaire au plan orbital avec une période de 1000 secondes. De cette façon, ils introduisent une modulation supplémentaire du signal.

Si vous voulez voir le lancement de la mission Microscope de Kourou, allez ici.

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