Evolved Laser Interferometer Space Antenna

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Le projet Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) est un projet de l'Agence spatiale européenne destiné à l'observation des ondes gravitationnelles de basse fréquence depuis l'espace. Il s'agira du premier observatoire spatial d'ondes gravitationnelles, les observatoires actuels, notamment LIGO et Virgo étant terrestres.

Initialement nommé New Gravitational-wave Observatory (NGO) (ou LISA pour Laser Interferometer Space Antenna) le projet a été redimensionné et renommé en eLISA à la suite de l'abandon de la participation de la NASA annoncée en avril 2011[1]. Le projet eLISA est proposé comme mission L3 dans le cadre des missions lourdes du programme Cosmic Vision de l'ESA[2]. Le processus de présélection pour L3 débutera en 2016 pour un lancement en 2034[3].

Le satellite LISA Pathfinder, lancé le 3 décembre 2015[4], doit permettre de valider les technologies qui sont retenues pour le projet Evolved Laser Interferometer Space Antenna (eLISA). Les chapitres suivants décrivent les principes du projet eLISA actuel (2015) composé de 3 satellites avec 2 bras de 1 million de kilomètres. Le projet originel LISA auquel participait aussi la NASA était composé de 3 satellites avec 3 bras de 5 millions de kilomètres[5].

Objectifs scientifiques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Ondes gravitationnelles.

eLISA a pour but la détection d'ondes gravitationnelles, prédites par la relativité générale découverte par Albert Einstein. Jusqu'en septembre 2015, les ondes gravitationnelles n'avaient été mises en évidence que de façon indirecte, essentiellement par deux méthodes : l'étude de l'évolution de la période orbitale d'un système composé de deux objets compacts, et les statistiques des périodes orbitales des étoiles variables cataclysmiques. La première observation directe des ondes gravitationnelles a été annoncée le 11 février 2016[6], par l'expérience LIGO. Les ondes gravitationnelles détectées par eLISA proviendront elles de trous noirs supermassifs.

Les interféromètres terrestres[modifier | modifier le code]

Des interféromètres terrestres tels que VIRGO (construit à Cascina, près de Pise en Italie), ou LIGO (Livingstone et Hanford, États-Unis), existent déjà depuis le début des années 2000 et sont opérationnels ; leur sensibilité est cependant limitée aux hautes fréquences (10 Hz – 10 kHz) par le bruit sismique, leur longueur de bras, et par les gradients de champs gravitationnels à l’intérieur de la Terre. En s'affranchissant de la Terre, eLISA est en mesure d'explorer des gammes de fréquence plus basses, typiquement 0.1 mHz - 1 Hz[7].

Géométrie de eLISA[modifier | modifier le code]

Orbitographie des stations de LISA et mouvement périodique annuel de l'interféromètre en orbite héliocentrique

eLISA consiste en une constellation de trois satellites artificiels, un satellite "père" et deux satellites "fils" en orbite héliocentrique formant un triangle équilatéral de 1 million de kilomètres de côté. Les deux bras père-fils sont reliés par des liens optiques composés de faisceaux laser infrarouges[5].

Le centre du triangle suit la Terre avec un retard de 20°, soit environ 50 millions de kilomètres. Cette distance peut être montée à 70 millions de kilomètres. Le plan formé par ce triangle est incliné de 60° par rapport au plan de l'écliptique[5].

Cette configuration est rendue possible par le fait que les lois de la mécanique céleste prédisent que trois orbites héliocentriques de même rayon et inclinées suivant un certain angle peuvent être parcourues par trois satellites formant un triangle équilatéral parfait si les positions relatives des satellites sur leurs orbites respectives sont choisies adéquatement. Le triangle fait un tour complet autour de son centre en une année.

Principe de fonctionnement de eLISA[modifier | modifier le code]

Vue stylisés des déformations induites au passage d'une onde gravitationnelle polarisée + sur les bras laser de l'interféromètre LISA.

Comme tous les détecteurs modernes d'ondes gravitationnelles, eLISA utilise la technique d’interférométrie laser. Les trois satellites composant eLISA forment en effet un interféromètre de Michelson géant où les deux satellites fils jouent le rôle de miroir et le satellite père celui de source et d'observateur[5]. Au passage d’une onde gravitationnelle les distances des deux bras de eLISA sont perturbées du fait des déformations de l’espace-temps produites par l'onde gravitationnelle.

En pratique, on mesure donc une variation relative de phase d’un laser distant par rapport à un laser local, par le principe d’interférences lumineuses. La comparaison entre la fréquence du faisceau reçu et celle de l’oscillateur local porte donc la signature des perturbations produites par une onde gravitationnelle.

Le satellite père possède deux lasers qui pointent chacun vers l'un des satellites fils. Du fait de la distance, le faisceau laser reçu par un satellite fils ne peut pas être réfléchi tel quel vers le satellite père car le signal serait finalement trop atténué. Pour ce faire, chaque satellite fille réémet un faisceau laser généré localement mais synchronisé en phase avec le faisceau laser reçu[8].

Afin d’éliminer les autres forces non gravitationnelles, telles que le vent solaire et la pression de radiation, auxquelles sont soumis chacun des trois satellites, la référence de mesure interférométrique est une masse inertielle (un cube de 46 mm de côté constitué de 75 % d’or et 25 % de platine), en chute libre dans l’espace, que contient et suit le satellite[9], suivant un principe déjà expérimenté par d'autres missions spatiales telles Gravity Probe B.

Chaque satellite mesure ces contraintes (grâce à un accéléromètre capacitif) et les compense (grâce à des micro-accélérateurs). Le dispositif assure que chaque satellite reste bien centré par rapport à sa masse d’épreuve.

Sensibilité de eLISA[modifier | modifier le code]

Les dimensions de l’interféromètre eLISA et son isolation des sources terrestres de bruits permettent ainsi d’obtenir une sensibilité comparable à celle des interféromètres terrestres (sensibilité objective 10 pm sur une distance de 1 million de kilomètres, soit une variation relative de distance δL/L < 10-21), mais dans une bande de fréquences allant de 0.1 mHz à 1 Hz approximativement. Cette bande de fréquence est complémentaire de celle des antennes du type VIRGO ou LIGO, et donne accès à une autre classe d’évènements astrophysiques[7].

La physique visée par eLISA est principalement celle qui se déroule autour des trous noirs supermassifs abrités par la quasi-totalité des bulbes galactiques. On souhaite observer à travers les signaux gravitationnels les captures d’astres compacts par des trous noirs, voire les coalescences de trous noirs supermassifs.

En effet, la fréquence des ondes gravitationnelles est directement reliée à la période orbitale du système qui les génère. Or la période orbitale d'un système de deux trous noirs sur le point de fusionner est directement fonction de leur masse : plus la masse est élevée, plus la période est grande et la fréquence des ondes produites basse. La bande de fréquence des interféromètres terrestres correspond à des émissions produites par des étoiles à neutrons ou des trous noirs stellaires. Celle de eLISA correspondra à celle des trous noirs supermassifs[10]. Les événements impliquant les trous noirs supermassifs sont a priori plus rares que ceux impliquant des trous noirs stellaires, mais sont détectables sur de plus grandes distances. Un risque lié à la mission eLISA est que le signal gravitationnel soit pollué par un ensemble de systèmes de deux naines blanches, générant des ondes à ces fréquences là, de plus faible amplitude, mais néanmoins détectable du fait de leur plus grande proximité.

Le démonstrateur technologique LISA pathfinder[modifier | modifier le code]

Article détaillé : LISA Pathfinder.

Le satellite LISA Pathfinder lancé le 3 décembre 2015 vers le point de Lagrange L1, c'est-à-dire en un point précis situé sur le segment Terre-Soleil, sera un test de fonctionnement en conditions réelles de l’instrumentation et des technologies retenues pour être employées par eLISA, en particulier accéléromètres capacitifs, micro-accélérateurs, compensateurs de trainée des satellites, et bancs optiques.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Space Mission to Hunt Gravity Waves Shuts Down Over NASA Funding Shortage », sur space,‎
  2. (en) « ESA_s_new_vision_to_study_the_invisible_Universe », sur ESA,‎
  3. « Timeline for selection of L-class missions », sur ESA,‎
  4. (en) « eLisa », sur eLisa (consulté le 4 août 2015)
  5. a, b, c et d (en) « mission concept » (consulté le 12 août 2015)
  6. « LIGO Scientific Collaboration - The science of LSC research », sur ligo.org (consulté le 11 février 2016)
  7. a et b (en) « sensitivity » (consulté le 12 août 2015)
  8. (en) « distance measurement » (consulté le 12 août 2015)
  9. (en) « drag free operation »,‎ 125 août 2015
  10. (en) « gravitational wave sources » (consulté le 12 août 2015)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]