LISA Pathfinder

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LISA Pathfinder
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maquette de LISA Pathfinder

Caractéristiques
Organisation Agence spatiale européenne
Domaine Technologie
Statut opérationnel
Masse 1 900 kg
Lancement 3 décembre 2015
Lanceur Vega
Durée 180 jours
Orbite de Lissajous
Orbite Héliocentrique
Périgée 500 000 km
Apogée 800 000 km
Localisation Point de Lagrange L1
Période ~ 180 jours
Site Site officiel

LISA Pathfinder est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit permettre de valider les technologies qui sont retenues pour le projet eLISA. Ce dernier a pour objectif d'effectuer des observations des ondes gravitationnelles en utilisant une grappe de 3 satellites mettant en œuvre des techniques d'interférométrie laser nécessitant des mesures d'une grande précision. LISA Pathfinder doit permettre de valider en particulier les accéléromètres capacitifs, micro-accélérateurs, compensateurs de trainée des satellites, et bancs optiques. LISA Pathfinder a été lancé le 3 décembre 2015 par une fusée Vega et doit se placer en orbite autour du Point de Lagrange L1 en janvier 2016 avant d'entamer sa mission d'une durée de 6 mois.

Contexte[modifier | modifier le code]

Grappes de moteurs à micro-propulsion colloïdales chargés de compenser les forces s’exerçant sur le satellite LISA Pathfinder. Font partie du DRS (Disturbance Reduction System) fournis par la NASA.

Les ondes gravitationnelles[modifier | modifier le code]

Article principal : Onde gravitationnelle.

Les ondes gravitationnelles sont des déformations de l’espace-temps prédites par la théorie de la Relativité générale qui se propagent à partir d'un objet massif en accélération. Ces déformations sont faibles. Les ondes détectables sont celles produites par des très grandes masses soumises à de très grandes accélérations. Ainsi, les sources d'ondes gravitationnelles observables sont principalement celles des systèmes astrophysiques impliquant des objets massifs et très denses comme les étoiles à neutrons ou les trous noirs. Des expériences ont été menées sur Terre pour mesurer les ondes gravitationnelles mais les variations du champ gravitationnel sont tellement réduites qu'elles sont masquées par les autres forces (électromagnétiques, sismiques, ...) présentes. Aucune expérience n'a permis jusqu'à présent de mesurer directement les ondes gravitationnelles car les dispositifs ne permettent pas d'écarter ces sources de perturbation.

Une nouvelle fenêtre sur l'univers[modifier | modifier le code]

Les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière sans être perturbées par la matière car elles interagissent peu avec celle-ci contrairement aux ondes électromagnétiques. A ce titre elles fournissent des informations inédites sur les objets massifs comme les trous noirs. Les ondes gravitationnelles peuvent également fournir des données sur les débuts de l'univers (âges sombres = 377 000 premières années de l'univers) inobservables avec les instruments classiques car aucun processus astrophysique ne produisait de rayonnement électromagnétique durant cette période . En s'appuyant sur les modèles théoriques de l'univers et sur les observations électromagnétiques effectuées, les scientifiques estiment que les ondes gravitationnelles les plus intéressantes à observer se concentrent essentiellement dans les fréquences comprises entre 10-4 et 10-1 Hz : l'observation de cette bande de fréquences permettrait de tester les théories relatives à l'évolution de l'univers jusqu'à un décalage vers le rouge de 20 (premières étoiles formées après le Big Bang), de vérifier les modèles relatifs à la gravité dans des champs gravitationnels forts et d'observer les débuts de l'univers mettant en œuvre des énergies de l'ordre du TeV[1]

La mission eLISA[modifier | modifier le code]

L'Agence spatiale européenne a décidé de développer une mission baptisée eLISA exploitant cette nouvelle technique d'observation. La mission repose sur 3 satellites maintenant leurs distances relatives constantes et formant un gigantesque interféromètre optique. Le passage d'une onde gravitationnelle se traduit par une modification de la distance entre les satellites qui est mesurée par interférométrie. Chaque satellite contient deux masses d'épreuve qui servent de repère pour mesurer la distance avec les deux autres satellites. Ces masses sont maintenues en chute libre au sein du satellite grâce à un système de propulsion chargé de compenser toutes les autres forces agissant sur l'engin spatial. Toutefois, pour pouvoir mesurer les ondes gravitationnelles, il est nécessaire d'obtenir une précision extrême concernant la mesure de la position de la masse d'épreuve (de l'ordre du picomètre) et de la trajectoire suivie par le satellite (de l'ordre de quelques nanomètres). Aussi l'agence spatiale a décidé de mettre au point les technologies qui seront mis en œuvre par eLISA dans le cadre d'une mission dédiée baptisée LISA Pathfinder (anciennement SMART-2 pour Small Missions for Advanced Research in Technology) avant de réaliser la mission eLISA proprement dite. Le lancement de cette dernière, qui fait partie des projets proposés pour la mission L3 du programme scientifique de l'ESA Cosmic Vision, pourrait avoir lieu vers 2034.

Historique[modifier | modifier le code]

Les premiers travaux sur un satellite capable d'étudier les ondes gravitationnelles remontent à 1993 lorsque les chercheurs américains et européens établissent le cahier des charges de la mission spatiale LISA (rebaptisée par la suite eLISA) avec l'appui de l'Agence spatiale européenne et de la NASA. Les deux agences financent de 2000 à 2011 des recherches sur les technologies nécessaires pour réaliser cette mission. Les deux agences décident de développer une mission conjointe. En 1998 un démonstrateur technologique est proposé sous l'appellation ELITE (European LIsa Technology Experiment). Ce projet est affiné et proposé en 2000 en réponse à l'appel à propositions de l'ESA SMART-2. Il s'agit de mettre au point des technologies utilisées à la fois par les futures missions LISA (chute libre) et Darwin (vol en formation de plusieurs satellites). La mission, qui comporte deux satellites, doit emporter trois charges utiles : deux préparent LISA et sont fournies respectivement par chaque agence, tandis que la troisième prépare Darwin. La mission est approuvée en 2000 mais après une étude par les industriels, ses ambitions sont révisées à la baisse : elle ne comporte plus qu'un seul satellite et deux charges utiles : LISA Technology Package (LTP) fournie par l'ESA et Disturbance Reduction System (DRS) fournie par la NASA. DRS comprend initialement des capteurs inertiels et un système de mesure par laser qui sont abandonnés pour des raisons de cout par la suite. Le lancement du satellite, rebaptisé LISA Pathfinder, est programmé en 2011[2].

Construction du satellite et des équipements[modifier | modifier le code]

La construction du satellite LISA Pathfinder est réalisée par une quarantaine de sociétés et instituts de recherche répartis dans 14 pays avec comme chef de file et intégrateur la filiale anglaise de Airbus Defence & Space . Le cout s'élève à 430 millions € en excluant les participations nationales et la contribution de la NASA[3]. Des difficultés de mise au point repoussent le lancement jusqu'à fin 2015.


Schéma de fonctionnement de LISA Pathfinder : 1 Satellite, 2 Mesure capacitaire, 3 Micro-propulseurs, 4 Masse d'épreuve secondaire, 5 Masse d'épreuve primaire, 6 Laser, 7 Photodétecteur.

Principes de fonctionnement[modifier | modifier le code]

Pour parvenir à mesurer les ondes gravitationnelles il faut que le système de mesure utilisé ne soit influencé que par la gravité et que toutes les autres forces soient écartées. Ainsi l'objectif de la mission LISA Pathfinder est de démonter qu'on peut protéger deux cubes métalliques situés au cœur d'un satellite de toutes les forces internes et externes. Ceci impose que le satellite suive une trajectoire avec une précision de l'ordre de quelques nanomètres et que le système de mesure permette de détecter la position des cubes métallique avec une précision de l'ordre du picomètre. Les deux cubes sont en chute libre au sein du satellite sans contact avec le reste du satellite et leur distance respective est mesurée à l'aide d'un interféromètre laser. Dans ces conditions les cubes en chute libre ne sont influencés que par la gravité et leur déplacement respectif ne reflète plus que les variations de celles-ci dont les ondes gravitationnelles[4].

Pour pouvoir maintenir les cubes en chute libre il faut d'abord compenser les forces externes qui modifient la trajectoire du satellite. La force principale est la pression de radiation exercée par les photons solaire sur le corps du satellite. Les forces internes sont d'origine magnétique, électrique mais également liées à la gravité générées par le satellite lui-même. Pour réduire les forces magnétiques pouvant s'exercer sur les cubes,tous les matériaux magnétiques sont exclus de la construction du satellite. Les aimants utilisés par les lasers et les propulseurs sont de très petite taille et sont positionnés à l'extérieur de l'enceinte externe du satellite. Le matériau utilisé pour réaliser les cubes, un alliage de platine et d'or, a été choisi parce que leur susceptibilité magnétique est réduite. Pour réduire l'attraction gravitationnelle du satellite sur les cubes, le satellite est construit de manière à ce que les forces de gravité que génèrent ses composant s'équilibrent au niveau des cubes. La position d'un composant situé à un mètre des cubes doit être déterminée au millimètre près tandis que les composants les plus proches des cubes doivent être déterminés avec une précision de l'odre du 10 millionième de mètre. Des petites masselottes sont placés après l'assemblage du satellite pour répondre ces contraintes[5].

Objectifs[modifier | modifier le code]

LISA Pathfinder doit valider le système de pilotage à traînée compensée, dont la performance attendue est de 10-14 ms-2Hz-1/2 et qui ne peut être testé sur Terre du fait de la gravité. Le satellite doit[6] :

  • démontrer qu'une masse d'épreuve peut être placée en chute libre ;
  • valider le fonctionnement de l'interféromètre laser avec un miroir en chute libre ;
  • vérifier la fiabilité dans la durée des micropropulseurs, des laser et de l'optique dans l'environnement spatial.
Vue interne et externe du satellite LISA Pathfinder avec et sans son panneau solaire. Position des deux équipements principaux : 1 DRS, 2 LPT.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Le LPT (LISA Technology Package).

LISA Pathfinder a une masse de 1 900 kg. Il comprend d'une part le satellite scientifique proprement dit dont la masse est de 420 kg d'autre part un module de propulsion disposant de 1 100 kg d'ergols liquides chargé de placer LISA Pathfinder sur son orbite de travail près du point de Lagrange L1.

Charge utile[modifier | modifier le code]

Le satellite embarque deux expériences[7] :

  • Le LTP (LISA Technology Package) contient deux masses d'épreuve réalisés dans un alliage d'or et de platine qui ont la forme de cubes de 46 mm de côté et qui doivent servir à la fois de miroir pour l'interféromètre et de référentiel inertiel pour le système de contrôle de position. Le LTP est un modèle réduit de l'interféromètre eLISA : alors que la distance entre miroirs sera de 1 million de kilomètres pour LISA, elle est de 35 cm sur LISA Pathfinder.
  • Le DRS (Disturbance Reduction System) est un système de contrôle de position développé par la NASA, chargé de compenser toutes les forces autres que la gravité s'exerçant sur le satellite (comme la pression de radiation). Il utilise des micropropulseurs ioniques à poussée continue (FEEP pour Field Emission Electric Propulsion) pour maintenir le satellite centré autour d'un point de référence en chute libre.

Déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

Le satellite LISA Pathfinder se sépare de son module de propulsion

LISA Pathfinder est lancé le 3 décembre 2015 par la fusée européenne Vega tirée depuis la base de lancement de Kourou[8] et placé initialement sur une orbite terrestre basse elliptique de 200 × 1 620 km avec une inclinaison de 5,3°. La mission comprend ensuite 5 phases[9],[10] :

  • En utilisant ses propres moteurs, qui fournissent un delta-V total de 3,1 km/s, LISA Pathfinder doit accroitre progressivement l'altitude de son apogée à quinze reprises. Au bout de 3 semaines échapper à l'attraction de la Terre
  • Le satellite se dirige alors vers le point de Lagrange L1 du système Soleil-Terre, à 1,5 million de kilomètres de la Terre qu'il atteint au bout de 20 jours.
  • Une fois atteint son objectif la rotation du satellite est annulée et le module de propulsion, qui pourrait perturber les mesures, est largué. Cette phase dure une quinzaine de jours
  • Une fois le satellite stabilisé, le fonctionnement des équipements DRS et LTP est vérifié durant une dizaine de jours.
  • LISA Pathfinder entame 86 jours après le lancement sa mission pour une durée prévue de 6 mois en parcourant une orbite de Lissajous autour de L1 : ces opérations comprennent deux phases de 90 jours chacune : la première est consacrée à l'utilisation du LTP et la seconde au DRS. Chaque mois deux à trois jours sont neutralisés pour effectuer des corrections de trajectoire. Les données sont transmises à la station terrestre de Cerebros en Espagne (antenne parabolique de 35 mètres de diamètre) dans le cadre de sessions quotidiennes de 8 heures par jour avec un débit de 52,3 kilobits par seconde. Le fonctionnement du satellite est contrôlé par l'ESOC à Darmstadt (Allemagne) tandis que les opérations scientifiques sont pilotées par l'ESAC à Villafranca (Espagne).

Notes et références[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • (en) Paul McNamara et Giuseppe Racca, Introduction to LISA Pathfinder, ESA,‎ , 42 p. (lire en ligne)
    Présentation de la mission LISA Pathfinder de 2009
  • (en) Paul McNamara et Giuseppe Racca, LISA Pathfinder media kit, ESA,‎ , 24 p. (lire en ligne)
    Présentation de la mission LISA Pathfinder pour les media

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]