Laser Interferometer Space Antenna


Laser Interferometer Space Antenna

La mission LISA (de l'anglais Laser Interferometer Space Antenna), est un projet commun ESA/NASA, destiné à l'observation des ondes gravitationnelles de basse fréquence depuis l'espace. Sa mise en service est prévue pour 2020. Il s'agira du premier observatoire spatial d'ondes gravitationnelles, les observatoires actuels, notamment LIGO et VIRGO étant terrestres. Le projet est en concurrence avec deux autres projets de l'agence spatiale européenne faisant partie comme Lisa des missions lourdes (L-class). La sélection de la mission doit être effectuée mi-2011.

Sommaire

Géométrie de LISA

Orbites des satellites de LISA

LISA consiste en une constellation de trois satellites artificiels identiques en orbite héliocentrique formant un triangle équilatéral de 5 millions de kilomètres de côté. Les trois satellites sont reliés par des liens optiques composés de faisceaux laser infrarouges. 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 leur orbites respectives sont choisies adéquatement.

LISA « suit » la Terre avec un retard de 20°, soit environ 20 jours terrestres. La distance moyenne de la Terre au centre de masse de LISA est donc d’environ un dix-huitième de la circonférence de l'orbite terrestre, soit environ 50 millions de kilomètres. Les orbites des satellites de LISA sont faiblement elliptiques et faiblement inclinés par rapport au plan de l’écliptique terrestre.

Le lancement de LISA est prévu à partir de 2020 et LISA est à l’origine conçu pour rester 4 ans en orbite.

Objectifs scientifiques

Article détaillé : Ondes gravitationnelles.

LISA a pour but la détection d'ondes gravitationnelles, prédites par la relativité générale découverte par Albert Einstein. Les ondes gravitationnelles ont déjà été mises en évidence, mais 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 variables cataclysmiques. Les ondes gravitationnelles détectées par LISA proviendront elles de trous noirs supermassifs.

Principe de fonctionnement de LISA

Vue artistique des effets d’une onde gravitationnelle sur LISA

Comme tous les détecteurs modernes d'ondes gravitationnelles, LISA utilise la technique d’interférométrie laser pour détecter les ondes gravitationnelles. Les trois satellites formant LISA forment en effet un interféromètre de Michelson géant (en réalité deux interféromètres redondants). Au passage d’une onde gravitationnelle les distances des bras de LISA (distance séparant deux satellites) 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.

Chaque satellite possède deux lasers (et donc deux bancs de mesure optique), chacun pointant vers un des deux autres satellites du triangle formé par LISA.

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 5 cm de côté constitué de 75 % d’or et 25 % de platine), en chute libre dans l’espace, que contient et suit le satellite, suivant un principe déjà expérimenté par d'autres missions spatiales telles Gravity Probe B.

Chaque satellite mesure ces contraintes à l’aide d’un accéléromètre capacitif dont il est doté et compense ainsi ces forces, grâce à des micro-accélérateurs. Ce dispositif assure que chaque satellite reste bien centré par rapport à sa masse d’épreuve.

Le démonstrateur technologique LISA pathfinder

Article détaillé : LISA Pathfinder.

Courant 2013 est prévu le lancement du satellite LISA pathfinder (envoyé au point de Lagrange L1, c'est-à-dire en un point précis situé sur le segment Terre-Soleil) qui sera un test de fonctionnement en conditions réelles de l’instrumentation et des technologies retenues pour être employées par LISA, en particulier accéléromètres capacitifs, micro-accélérateurs, compensateurs de trainée des satellites, et bancs optiques.

Les interféromètres terrestres

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, LISA est en mesure d'explorer des gammes de fréquence plus basses, typiquement 0.1 mHz - 0.1 Hz.

Sensibilité de LISA

Les dimensions de l’interféromètre LISA 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 5 millions de kilomètres, soit une variation relative de distance δL/L < 10-21), mais dans une bande de fréquences allant de 0.1 mHz à 0.1 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.

La physique visée par LISA 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 génére. 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 LISA correspondra à celle des trous noirs supermassifs. 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 LISA 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.

Supports de la mission

La mission LISA est cofinancée par l’Agence spatiale européenne qui fournira les satellites, les modules de propulsion et une partie des technologies embarquées, et la NASA qui fournira le lanceur et l’autre partie des technologies embarquées.

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes


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