LISA PATHFINDER : Nouvelle étape sur L'étude des Ondes Gravitationnelles
Envoyé à 1,5 million de km de la Terre,
le satellite LISA Pathfinder de l’Agence Spatiale Européenne
a démontré la validité d’une technologie
qui permettra de détecter les ondes gravitationnelles depuis l’espace.
Les ondes gravitationnelles découlent de la théorie de la relativité d’Einstein,
théorie qui fête son centenaire.
Lorsque des objets massifs se déplacent,
ils engendrent ces ondes
qui sont une sorte de succession de vagues qui font onduler l’espace-temps.
En décembre 2015, l’Agence Spatiale Européenne (ESA)
a lancé un satellite appelé LISA Pathfinder,
non pas pour observer ces ondes, mais pour valider une technologie qui le permettra.
Le 7 juin 2016, l’agence a confirmé que le test était satisfaisant
et que le dispositif prévu s’avérait même jusqu’à 100 fois plus précis que requis.
Les ondes gravitationnelles : une détection délicate
Il faut garder à l’esprit que le phénomène des ondes gravitationnelles est extrêmement faible.
Ainsi, lorsqu’en septembre 2015 les deux dispositifs américains LIGO au sol
(Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory)
ont accompli la première détection scientifiquement reconnue d’ondes gravitationnelles,
ils l’ont fait en mesurant un déplacement un millier de fois inférieur à la taille d’un proton
entre deux cibles de référence !
Et l’événement à la source de ces ondes gravitationnelles
était pourtant la fusion de deux trous noirs de 30 masses solaires chacun
(certes situés à presque 2 milliards d’années-lumière au plus loin).
LIGO - Hanford
Vu aérienne de l’un des 2 observatoires LIGO au sol
(ici, celui de Hanford dans l’État de Washington).
On note les deux bras de 4 km,
Tubes dans lesquels un vide poussé est maintenu
et au bout desquels se situent les miroirs visés par le laser.
Sur 4 km, il a fallu compenser la courbure de la Terre, à savoir 1 m en vertical.
Crédit : LIGO
On comprend dès lors qu’il s’agit de détecter une déformation de l’espace-temps aux limites de nos capacités de mesure les plus pointues. Aux États unis dans l’État de Washington et en Louisiane (séparés par 3 000 km), les 2 observatoires LIGO, identiques dans leur principe, utilisent l’interférométrie laser. Pour simplifier, 2 faisceaux laser sont émis à angle droit vers des miroirs placés à 4 km et leur réflexion est combinée de façon à obtenir une mesure extrêmement précise de la distance. Car une onde gravitationnelle déformant l’espace-temps, cette distance va varier ! Et c’est ce qui s’est produit en septembre 2015. Le principal problème est que sur Terre de nombreuses perturbations naturelles (mouvements sismiques normalement imperceptibles) ou artificielles (des camions passant même loin) doivent être éliminées pour être certain de n’étudier que ce qui est causé par les ondes gravitationnelles.
LISA Pathfinder fonctionne mieux que prévu
Pour s’affranchir de ces perturbations terrestres, l’idée qui s’imposa fut d’envoyer à l’avenir dans l’espace le principe d’interférométrie laser de LIGO. On a imaginé alors 3 satellites séparés par 1 million de kilomètres. Les tirs laser d’un satellite se réfléchissent sur des miroirs dans les 2 autres et on obtient la mesure susceptible de dévoiler les ondes gravitationnelles. Le défi principal est non seulement un vol en formation du trio extrêmement stable, mais aussi que les miroirs soient parfaitement en chute libre (un objet sur orbite est en chute libre) sans quoi on ne mesurera que d’autres perturbations. Mais lesquelles dans l’espace ? À ce niveau de précision, la simple pression des photons du Soleil sur les satellites suffit ! LISA Pathfinder emporte donc un prototype du dispositif qui maintiendra les miroirs (des cubes aux faces réfléchissantes) en chute libre «parfaite» puisque l’engin compense toute perturbation avec des petits propulseurs ioniques. Au sein de LISA Pathfinder, 2 masses cubiques de 1,96 kg et 46 mm de côté séparées de 38 cm ont donc été scrutées (avec un laser d’ailleurs) afin de vérifier si l’état de chute libre non perturbé était bien atteint grâce au système de compensation.
LISA Pathfinder
Schéma du dispositif emporté par LISA Pathfinder. Si le système de compensation des perturbations du satellite (petits moteurs ioniques accomplissant les poussées nécessaires) fonctionne comme prévu, les deux masses en chute libre ne doivent pas bouger l’une par rapport à l’autre. On voit les deux masses cubiques de chaque côté et, au milieu, l’interféromètre laser chargé de mesurer la distance entre celles-ci.
Crédit : ESA/ATG Medialab
Et c’est le succès ! Les mesures accumulées depuis des mois démontrent la validité du concept. La finesse de la chute libre ainsi obtenue s’avère même 5 fois plus élevée que les critères retenus au départ. En ce qui concerne l’interféromètre laser, Martin Hewitson du Max Planck Institute en Allemagne qui travaille sur LISA Pathfinder annonce de surcroît que «la performance de l’instrument laser a déjà dépassé le niveau de précision requis pour un futur observatoire des ondes gravitationnelles d’un facteur de plus de 100».
LISA Pathfinder - ESA
Ce schéma de l’ESA montre que les perturbations résiduelles (courbe verte) vis-à-vis d’une chute libre «parfaite» sont suffisamment basses pour que la technologie testée puisse être utilisée sur un futur observatoire d’ondes gravitationnelles spatial. La source du pic un peu avant 0,1 Hz reste cependant à déterminer.
Crédit : ESA/ATG Medialab
Visiblement, l’ESA dispose de la technologie nécessaire pour l’étape suivante, à savoir celle du «futur observatoire des ondes gravitationnelles» spatial évoqué par Martin Hewitson. Un tel observatoire ouvrira une nouvelle ère de l’astronomie car les ondes gravitationnelles véhiculent des informations importantes sur les objets qui les génèrent. Une meilleure compréhension de la nature des trous noirs, des avancées sur la théorie de la relativité, mais aussi sur le Big Bang et donc l’origine de l’Univers sont attendues.
SOURCE
http://www.cite-espace.com/actualites-spatiales/lisa-pathfinder-feu-vert-ondes-gravitationnelles/
8 juin 2016
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