Qu'est LISA et pourquoi
LISA (Laser Interferometer Space Antenna) est une mission spatiale internationale qui détectera les ondes gravitationnelles émises par les évènements les plus violents de l’Univers; LISA détectera le rayonnement gravitationnel de sources astronomiques telles les trous noirs supermassifs et autres astres compacts, sondera l’Univers primordial et testera les théories fondamentales de la Gravitation.
Sélectionné en 2017 par l'Agence Spatiale Européenne ESA comme la troisième Mission Classe L (Large Class Mission), LISA est entrée dans la phase d'étude complète avant une adoption en 2023 et un lancement vers le début des années 2030. https://sci.esa.int/web/lisa
Pourquoi une mission spatiale en plus des antennes kilométriques terrestres telles que Virgo, LIGO? Son caractère spatial lui permet de s'affranchir des bruits terrestres tels que le bruit sismique ou le bruit Newtonnien et LISA va détecter dans la gamme Très Basse Fréquence du 10-4 Hz au 10-1 Hz (dixième de milliHz au dixième de Hz) et c'est dans cette gamme qu'on trouvera les coalescences de trous noirs supermassifs et autres objets compacts ainsi que de sonder l'Univers Primordial.
Pour cela LISA doit être capable de détecter des variations de distances de 10 picomètres (1 picomètre = 10-12 mètres) sur une distance de quelques Millions de kilomètres.
Concept de l’instrument
Pour atteindre une telle performance, LISA comprend trois stations en orbites héliocentriques formant une constellation triangulaire de 2,5 millions de kms de côté. Ces stations échangent des faisceaux infra-rouges deux à deux. La comparaison entre faisceau envoyé et faisceau reçu est utilisée pour mesurer les changements de distance entre satellites dus aux ondes gravitationnelles.
Les trois satellites fonctionnent comme trois interféromètres de Michelson, chacun avec deux bras définis par deux masses test dans un satellite et une masse test dans les deux autres.
A la différence d’un Michelson, LISA n’a pas de miroir semi réfléchissant pour séparer le faisceau en deux. Dans LISA, chaque satellite envoie un faisceau laser aux deux autres satellites. A cause de la distance énorme, la lumière reçue est bien trop faible pour être renvoyée. C’est pourquoi les satellites ne contiennent pas de miroirs. Au lieu de ceci ils renvoient une lumière laser identique à celle qu’ils ont reçue. comme trois interféromètres de Michelson, chacun avec deux bras définis par deux masses test dans un satellite et une masse test dans les deux autres. [http://fr.wikipedia.org/wiki/Interf...on]
Orbites des satellites
On obtient une formation triangulaire stable d’une seule façon possible : en injectant chacune des trois stations sur une orbite faiblement excentrique, faiblement inclinée sur l’écliptique, et dont les grands axes sont décalés de 120 degrés entre eux. Au premier ordre par rapport à l’excentricité, on obtient un triangle dont les côtés ont une longueur constante. Le triangle doit être incliné de 60 degrés sur l’écliptique et être en rotation constante avec une période d’un an. Son centre de gravité suit l’orbite terrestre avec un retard de 20 jours.
Quelques principes simples fixent les conditions pour que l’on puisse identifier les ondes gravitationnelles dans les signaux envoyés su Terre par les trois stations :
- Les masses test portant les lasers doivent suivre des trajectoires parfaitement connues de chute libre, malgré le vent solaire et autres influences perturbatrices. . Un système dit de « compensation de trainée » est là pour s’en assurer.
- Les distances entre satellites ne doivent pas dériver pour que les opérateurs ne dépendent pas du temps, ce qui impose de placer les satellites sur des trajectoires très stables très particulières
- Les lasers doivent être stabilisés.
Interférométrie numérique (Time Delay Interferometry)
La signature des ondes gravitationnelles se détecte dans les décalages Doppler (de fréquence) entre la lumière arrivant des d’une station lointaine et le laser local correspondant. On combine les 6 flux de données avec des retards bien choisis qui permettent de supprimer les bruits des lasers…sans supprimer le signal gravitationnel. La théorie de ces combinaisons a montré qu’il existe un ensemble de quatre combinaisons qui permettent d’obtenir toutes les autres. L’exploitation des ces générateurs en vue d’optimiser une détection particulière a été appelée TDI (=Time Delay Interferometry ), ou Interférométrie Numérique.
L’exploitation des données de LISA repose sur cette capacité à supprimer les bruits laser : la méthode TDI permet de ramener les exigences sur les densités spectrales de bruit des lasers au niveau d’une dizaine de Hz/Hz-1/2. Une telle valeur permet de détecter des variations de distance avec une précision de 10 picomètres (1 picomètre = 10-12 mètres) sur 2,5 Millions de kilomètres.
Les données ainsi prétraitées sont ensuite analysées en fonction du type de source recherchée : source connu ou recherche en aveugle, source à signal périodique ou non …
Consortium LISA
Constitué des scientifiques ayant participé aux projets terrestres de détection des ondes gravitationnelles Virgo, LIGO, GEO, ainsi que ceux ayant contribué à la réussite de la mission de démonstration technologique LISA Pathfinder. Le Consortium LISA a produit et soumis un document "White Paper" intitulé The Gravitational Universe qui a été validée par l'ESA en 2017. Ce consortium se réunit régulièrement plusieurs fois par an, l'agenda des réunions et des informations plus détaillées se trouvent sur le site https://www.elisascience.org/.
Voir aussi : [http://fr.wikipedia.org/wiki/Laser_...] , [http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm ?fareaid=27 , http://lisa.nasa.gov/]
