Le succès récent de la détection des ondes gravitationnelles a alimenté l’intérêt des scientifiques et du public pour un projet futur passionnant, le télescope LISA (également eLISA, de Evolved Laser Interferometer Space Antenna, «Advanced Laser Interferometer Space Antenna»). Il s’agit du tout premier projet à utiliser les ondes gravitationnelles à des fins cognitives, pour étudier le centre des galaxies, les trous noirs et les étoiles massives. Le télescope devrait être lancé en 2034.
Table des matières
Le principe de fonctionnement de LISA
Le problème de la capture des ondes gravitationnelles
Pour comprendre la valeur pratique du télescope, il convient de rappeler ce que sont les ondes gravitationnelles. Il s’agit essentiellement de fluctuations du temps et de l’espace causées par l’interaction d’objets massifs qui se propagent à travers l’Univers sur des distances infinies. En termes simples, les objets énormes et/ou anormalement concentrés de l’Univers provoquent une série de compressions et de lissages de l’espace-temps «lisse». Ils ont réussi à détecter les scientifiques de la coopération LIGO à la fin de 2015, ce qui a été récemment annoncé dans les médias scientifiques et populaires.
L’installation LIGO. À droite et à gauche, les «épaules» de 4 kilomètres de l’interféromètre.
LIGO utilise un interféromètre laser spécial pour détecter les ondes gravitationnelles. Deux tuyaux de 4 kilomètres de long, sous vide, ont été installés à un angle de 90° l’un par rapport à l’autre, à travers lesquels un faisceau laser a été lancé. Les ondes gravitationnelles qui traversent le LIGO déforment l’espace. Le temps de passage du faisceau laser entre les points de contrôle situés à l’extrémité des tubes change donc alternativement. Ces déviations ont permis de déterminer la puissance de l’onde gravitationnelle et l’endroit d’où elle provenait. La séquence de distorsions dans les deux branches de LIGO a été le facteur décisif pour séparer l’onde gravitationnelle du bruit.
Cependant, l’interféromètre LIGO présentait un inconvénient majeur qui le privait totalement d’une utilisation pratique. Plus précisément, LIGO était situé sur Terre, un endroit peu propice à l’exploration spatiale. Ainsi, même les plus grands télescopes terrestres ne peuvent atteindre la qualité et la portée du «Hubble» en orbite, en raison des interférences atmosphériques et des divers obstacles qui se dressent sur le chemin des ondes lumineuses. Pour LIGO, cependant, les obstacles étaient le bruit et les vibrations — pour perturber l’appareil mince pourrait passer même à quelques kilomètres de voiture, de petites secousses sismiques et le vent.
Structure de LISA
Système LISA déployé, vue de l’artiste
C’est la raison pour laquelle le projet LISA a été mené dans l’espace : dans un espace sans air, sans contact avec des sources de vibrations, la précision de la mesure des ondes gravitationnelles sera beaucoup plus élevée. En outre, dans l’espace, la zone de mesure n’est pas limitée, comme c’est le cas sur Terre. LISA sera composé de trois instruments qui formeront un triangle équilatéral avec un bras d’un million de kilomètres de long — 250 000 fois plus grand que LIGO ! Cela permettra au télescope d’enregistrer des ondes d’une amplitude de 20 picomètres, ce qui est plus petit que la taille d’un atome d’hélium, et d’une fréquence d’environ 1 millihertz.
Mais la taille de chaque composant de LISA est réduite par rapport à la distance qui les sépare, c’est pourquoi une nouvelle technologie d’orientation spatiale sera utilisée. Au centre de chaque partie du télescope se trouvera un noyau d’orientation — une sphère d’une masse de 2 kilogrammes, non fixée et en vol libre. Selon le concept moderne de la gravité, deux corps protégés des influences extérieures garderont leur position l’un par rapport à l’autre inchangée. C’est ce que les astronomes vont utiliser — il n’est pas facile de maintenir un triangle parfait dans l’espace, entre les points duquel se trouve un espace d’un million de kilomètres !
Position de LISA par rapport à la Terre
Afin de ne pas se perdre dans l’espace et d’être en contact permanent avec la Terre, LISA sera placé sur une orbite héliocentrique, similaire à l’orbite de la Terre autour du Soleil — mais à 20° derrière notre planète. Le centre des trois composantes du télescope sera situé au point de Lagrange L3 du système Terre-Soleil. Une telle orbite «tournante» autour du point de Lagrange est également appelée «orbite de Lissajous», en l’honneur de son inventeur, le mathématicien français Jules Antoine Lissajous.
Points de Lagrange du système Soleil-Terre
Qu’est-ce qu’un point de Lagrange ? Tout repose sur un concept calculé par le mathématicien et physicien Joseph Lagrange en 1772. La nature de l’interaction gravitationnelle est telle que lorsqu’un corps massif tourne autour d’un autre — comme la Lune autour de la Terre, ou la Terre autour du Soleil — il existe 5 points gravitationnels stables à proximité de ce corps, également appelés points de Lagrange. À ces points, un troisième corps dont la taille et la masse sont relativement faibles, comme un satellite spatial, restera immobile par rapport aux deux premiers corps massifs.
En d’autres termes, là où deux grands corps tournent, il y a toujours des points de Lagrange, dans lesquels se trouvent des endroits sûrs pour la rotation de cinq autres petits corps. De plus, ces points stables offrent une sécurité assez agressive — une fois pris dans la «cage», il sera difficile pour un objet de s’en échapper. Il est intéressant de noter qu’à l’origine, Lagrange a inventé le concept de points pour rechercher des satellites naturels de la Terre qui n’avaient pas encore été découverts, et qu’aujourd’hui, les points de Lagrange sont activement utilisés par les satellites artificiels.
Le télescope spatial Herschel est également un point de Lagrange. L’arrière-plan de l’image est un composite d’images prises par le télescope.
En plus de tout le matériel associé aux faisceaux laser et à l’orientation dans l’espace, LISA transportera l’instrumentation standard des télescopes spatiaux — des antennes pour les communications internes et le contrôle depuis la Terre, des télescopes optiques pour la navigation stellaire, un blindage contre les radiations et de l’équipement informatique.
LISA Pathfinder — le pionnier d’un chemin épineux
Comme vous pouvez le constater par vous-même, le projet LISA est doté de plusieurs technologies de pointe. Des dispositifs laser pour capter les ondes gravitationnelles invisibles et un système révolutionnaire de navigation spatiale n’ont jamais été utilisés dans l’espace auparavant. En outre, il peut toujours se produire quelque chose d’imprévu pour les scientifiques et les ingénieurs. Afin d’évaluer la situation réelle, LISA Pathfinder (en anglais, «pionnier») a été lancé le 3 décembre 2015.
D’une taille de 2,9 x 2,1 mètres, Pathfinder est une réplique à échelle réduite d’un seul composant de LISA et de l’ensemble du télescope. Lancé d’abord en orbite terrestre basse (LEO), il s’est progressivement éloigné de 800 000 kilomètres de la Terre, entrant ainsi dans une orbite de Lissajous — mais, contrairement à l’orbite du futur LISA, jusqu’au point de Lagrange L1et non L3.
Modèle de LISA Pathfinder
L’objectif principal du lancement de LISA Pathfinder est de tester un système de navigation basé sur des corps de référence en suspension. Dans Pathfinder, ils ne sont pas situés à des millions de kilomètres, mais à 38 centimètres l’un de l’autre, mais ils sont contrôlés par un capteur laser de haute précision capable de détecter des décalages inférieurs à 0,01 nanomètre. Les scientifiques testent en même temps le système optique du faisceau qui, dans sa version finale, sera utilisé pour détecter les ondes gravitationnelles.
D’après l’article, vous savez déjà que les mesures laser de haute précision nécessitent une neutralité totale de l’environnement. L’espace est ici beaucoup plus favorable que la surface de la Terre : il n’y a pas de vibrations qui créent des masses d’air, des mécanismes et des enveloppes solides de la planète. Mais même l’espace ouvert comporte des obstacles. Par exemple, le Soleil peut chauffer inégalement le corps de LISA, et le vent solaire ionise les particules et crée des champs magnétiques. Le matériel lui-même peut chauffer et créer des interférences.
Le champ magnétique terrestre protège la planète du vent solaire. Les satellites ne disposent pas d’une défense aussi puissante.
Cette situation n’est pas critique pour la plupart des autres satellites, mais on ne sait pas comment elle affectera les systèmes de LISA. C’est pourquoi Pathfinder est équipé non seulement de systèmes de protection contre les essais, de thermomètres et de magnétomètres de haute précision, mais aussi d’un simulateur de chauffage — un système spécial chauffera le vaisseau spatial à différents endroits pour en déterminer l’effet. Les données obtenues permettront de créer des filtres logiciels pour débarrasser les données des interférences et créer une image précise des ondes gravitationnelles pour un futur système LISA.
La valeur pratique de LISA
Comme nous pouvons le constater, le télescope LISA est un système complexe qui mettra au défi non seulement les scientifiques et les ingénieurs, mais aussi les navigateurs spatiaux. De plus, le projet lui-même est sur la crête d’une vague de découvertes scientifiques. L’existence même des ondes gravitationnelles a été prouvée l’autre jour, et l’équipe LISA prévoit de les utiliser pour étudier l’univers. Qu’est-ce que le projet a de si précieux à offrir pour que les scientifiques et les investisseurs prennent le risque ?
Jusqu’à présent, l’étude des parties lointaines de l’Univers s’est basée sur une image très relative : l’émission de lumière dans différentes bandes et les ondes radio. Elles fournissent aux astronomes des données approximatives sur la couleur, la luminosité et la taille des objets, mais les obligent à deviner leur masse et leur composition. Les astrophysiciens obtiennent déjà ces données en comparant les objets ouverts entre eux, mais le fruit de leur travail est imprécis et invérifiable.
Un système stellaire double dans lequel une étoile tire de la matière de l’autre est une source puissante d’ondes gravitationnelles.
Les ondes gravitationnelles ouvrent une nouvelle dimension dans l’univers observable — un monde de grandes masses. LISA sera en mesure d’enregistrer avec précision les paramètres des objets qui génèrent les ondes : étoiles doubles dans la Voie lactée, trous noirs dans d’autres galaxies et supernovae. C’est très prometteur. Par exemple, après avoir appris la masse et la vitesse exactes d’une étoile dans un système double, nous pourrons spécifier les mêmes paramètres pour une étoile simple de la même classe spectrale. LISA sera également en mesure d’enregistrer des ondes gravitationnelles reliques, c’est-à-dire les vestiges du Big Bang.
Toutefois, ces capacités auront un coût élevé pour la communauté scientifique. Ainsi, LISA sera développé jusqu’à la fin des 8 prochaines années — et le lancement de Pathfinder a déjà coûté 400 millions d’euros. Il convient également de noter que l’Agence spatiale européenne finance seule l’ensemble du projet — la NASA a abandonné le développement de LISA en 2011, invoquant un manque de fonds.
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Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023