Réussite totale de la mission LISA Pathfinder pour la recherche des ondes gravitationnelles

Les scientifiques ont fait une démonstration magistrale de la réussite de la mission LISA Pathfinder. Désormais, on peut préparer la vraie mission de l’observation des ondes spatiales dans l’espace avec LISA à l’horizon 2030. LISA pourra détecter des ondes gravitationnelles bien plus précisément que le LIGO sur Terre.


La mission LISA Pathfinder est un succès magistral et elle ouvre la voie à l'observation des ondes gravitationnelles dans l'espace avec des missions comme LISA.

Si vous regardez dans le ciel à une distance d’environ 1,5 million de kilomètres de la Terre, vous découvrirez l’environnement le plus silencieux qui ait été jamais fabriqué par l’homme. Dans un vaisseau de l’Agence Spatiale européenne appelé LISA Pathfinder, vous trouverez 2 cubes d’or-platine de 4,6 centimètres qui ont atteint un état de calme suprême. Il n’y a aucune force, à part la gravité, qui peut interférer avec ce cube. Tous les autres types d’influences tels que les molécules en mouvement, les rayons cosmiques et les champs électromagnétiques ont désormais un poids équivalent à celui d’un seul virus sur votre main. Cet exploit, détaillé dans Physical Review Letters, est une avancée majeure dans l’étude des ondes gravitationnelles et il ouvre la voie à des observatoires d’ondes gravitationnelles qui seront placées dans les profondeurs de l’espace.

Prédites par Einstein il y a près d’un siècle dans le cadre de sa relativité générale, les ondes gravitationnelles sont produites par les événements les plus énergétiques de l’univers, des étoiles qui explosent, des étoiles à neutrons en rotation rapide ou des trous noirs qui entrent en collision. Mais il est très difficile de les détecter, car ils se manifestent dans des oscillations subatomiques à travers de grandes distances dans l’espace-temps. Pour les détecter, les scientifiques utilisent habituellement des lasers pour mesurer la distance entre 2 masses de tests et ces lasers vont se déformer au passage d’une .

Les scientifiques ont pu voir les ondes gravitationnelles pour la première fois en septembre 2015 quand la fusion de 2 trous noirs situés à 1 milliard d’années-lumières a produit des ondes gravitationnelles qui ont été détectées par l’Advanced Laser Interferometer Gravitational (LIGO). Chaque onde a créé un déplacement d’une fraction de seconde avec une taille inférieure à celle d’un rayon d’un proton. Et elle a été enregistrée par les détecteurs du LIGO. Une telle détection équivaut à mesurer une distance jusqu’au système de l’Alpha du Centaure, situé à 4,5 années-lumières, avec la précision littérale de l’épaisseur d’un cheveu.

Lancé en décembre 2015, le est une preuve à l’appui pour des mesures plus ambitieuses avec l’observatoire appelé d’où le nom de . L’Agence Spatiale européenne envisage le lancement de LISA pour 2030. LISA va chercher des ondes gravitationnelles provenant de fusion de trous noirs supermassifs à travers l’univers observable en testant la relativité générale à des degrés inégalés et pour approfondir notre compréhension de l’évolution galactique à travers le temps cosmique. Mais étant donné qu’elles sont produites par des objets plus massifs et plus énergétiques, ce type d’ondes gravitationnelles possède une longueur d’onde plus grande que celles qui ont été étudiées par le LIGO. Cela signifie que ces ondes gravitationnelles produisent des déformations subatomiques dans les masses de tests sur plusieurs heures plutôt que sur quelques millisecondes et elles sont donc impossibles à détecter à cause du champ gravitationnel très bruyant de la Terre.

Pour atteindre des délais plus longs, il faut atteindre une stabilité extrême pour mesurer ces ondes gravitationnelles. LISA va utiliser une constellation de lasers qui sont liés à des masses de tests qui sont séparés par des millions de kilomètres de distance. Comme une préparation pour cet effort inouï, l’objectif de LISA Pathfinder est de stabiliser et de mesurer la distance entre les masses de tests, 2 cubes en or platine, qui sont séparées seulement par 38 centimètres.

Nous avons pris la longueur des millions de kilomètres proposés pour les futurs détecteurs et nous les avons raccourcis à moins de 40 centimètres pour qu’on puisse tester et comprendre tous les effets qui pourraient perturber les masses de tests et masquer les ondes gravitationnelles selon Paul McNamara, le responsable de l’ASE de LISA Pathfinder. Nous avons désormais ouvert la porte pour la mission LISA. La technologie dont nous avions besoin n’est plus de la magie noire, car nous en avons fait une réalité. La stabilité des cubes est 5 fois supérieure à celle qui était prévue à la base pour la mission et elle est de 75 % pour une stabilité maximale pour la mission LISA.

Dans une déclaration, David Reitz, le directeur exécutif du projet Advanced LIGO, a qualifié le succès de LISA Pathfinder de tour de force dans la mesure de précision qui va propulser l’étude des ondes gravitationnelles sur de nouveaux sommets. Ces résultats sont extrêmement intéressants pour la prochaine mission LISA.

Selon Stefano Vitale, un professeur de physique chargé du Package technologique de LISA Pathfinder, le secret de la stabilité extrême est son approche sans les mains. Les cubes d’or platine n’ont aucun contact mécanique avec quoi que ce soit et ils sont entourés entièrement par du vide. La principale astuce est que plutôt que de pousser les masses de tests pour suivre les mouvements du vaisseau, nous poussons le vaisseau. Des électrodes, alignées dans la chambre interne d’isolation du vaisseau, détectent la position des cubes qui flottent librement dans l’espace. Et ces électrodes déclenchent délicatement des micropropulseurs pour garder les cubes à distance des murs de LISA Pathfinder. Les manoeuvres sont délicieusement délicates. Si vous utilisez 1 000 de ces micropropulseurs sur Terre, alors vous pourrez à peine bouger une feuille de papier. Mais LISA Pathfinder en utilise seulement 6 pour vous donner une idée de la délicatesse extrême de la poussée.

La stabilité des cubes est encore renforcée par des impulsions périodiques de lumière ultraviolette qui neutralise les charges électriques qui sont produites par les impacts des rayons cosmiques. La plus grande perturbation du mouvement des cubes, selon McNamara, est l’atmosphère raréfiée qui se trouve dans la chambre interne de LISA Pathfinder. Cette atmosphère équivaut à dix milliardièmes de la pression de l’air sur Terre. L’équipe de LISA Pathfinder pompe actuellement les molécules persistantes de la chambre pour améliorer la stabilité de l’expérience. Nous sommes désormais limités par la nuisance des mouvements aléatoires des molécules de gaz qui ricochent sur la surface selon McNamara. C’est un phénomène qu’on connait comme le mouvement brownien qu’Einstein a utilisé en 1905 pour résoudre le fait que la matière ordinaire est composé d’atomes. En d’autres termes, nous tentons de prouver la théorie générale d’Einstein, mais une autre de ses prédictions, le mouvement brownien, est devenue actuellement notre obstacle ! Une ironie qui aurait fait sourire le grand physicien.

 

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Jacqueline Charpentier

Ayant fait une formation en chimie, il est normal que je me sois retrouvée dans une entreprise d'emballage. Désormais, je publie sur des médias, des blogs et des magazines pour vulgariser l'actualité scientifique et celle de la santé.

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