Capturer les ondulations de l’espace-temps : l’observatoire d’ondes gravitationnelles LISA obtient le feu vert

L’approbation par l’ESA de la mission LISA marque une avancée significative dans la science spatiale, visant à détecter ondes gravitationnelles avec un trio de vaisseaux spatiaux. Lancé en 2035, il offrira de nouvelles perspectives sur les événements cosmiques et l’expansion de l’univers.

Le comité du programme scientifique de l’ESA a approuvé la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna), la première initiative scientifique visant à détecter et à étudier les ondes gravitationnelles depuis l’espace.

Cette étape importante, officiellement appelée « adoption », reconnaît que le concept et la technologie de la mission sont suffisamment avancés et donne le feu vert à la construction des instruments et du vaisseau spatial. Ces travaux débuteront en janvier 2025 une fois qu’un entrepreneur industriel européen aura été choisi.

LISA n’est pas seulement un vaisseau spatial mais une constellation de trois. Ils suivront la Terre sur son orbite autour du Soleil, formant ainsi un triangle équilatéral extrêmement précis dans l’espace. Chaque côté du triangle mesurera 2,5 millions de kilomètres de long (soit plus de six fois la distance Terre-Lune) et le vaisseau spatial échangera des faisceaux laser sur cette distance. Le lancement des trois engins spatiaux est prévu pour 2035, sur une fusée Ariane 6.

Dirigé par l’ESA, LISA est rendu possible grâce à une collaboration entre l’ESA, ses agences spatiales des États membres, NASAet un consortium international de scientifiques (le consortium LISA).

La mission de l’ESA, LISA, capturera et étudiera les ondulations dans la structure de l’espace-temps. Ces ondulations, que nous appelons ondes gravitationnelles, sont émises lors de certains des événements les plus puissants de l’Univers. Un exemple de système créant des ondes gravitationnelles est une paire de trous noirs en orbite l’un autour de l’autre et se dirigeant vers une collision. L’accélération de leurs énormes masses ébranle le tissu de l’espace-temps et crée des ondulations. Crédit : ESA/ATG Medialab

Apporter du « son » au film cosmique

Il y a un peu plus d’un siècle, Einstein a fait la prédiction révolutionnaire selon laquelle lorsque des objets massifs accélèrent, ils secouent le tissu de l’espace-temps, produisant de minuscules ondulations appelées ondes gravitationnelles. Grâce aux développements technologiques modernes, nous sommes désormais en mesure de détecter ces signaux les plus insaisissables.

«LISA est une entreprise qui n’a jamais été tentée auparavant. En utilisant des faisceaux laser sur des distances de plusieurs kilomètres, les instruments au sol peuvent détecter les ondes gravitationnelles provenant d’événements impliquant des objets de la taille d’une étoile, comme des explosions de supernova ou la fusion d’étoiles hyperdenses et de trous noirs de masse stellaire. Pour repousser les frontières des études gravitationnelles, nous devons aller dans l’espace », explique Nora Lützgendorf, scientifique principale du projet LISA.

« Grâce à l’énorme distance parcourue par les signaux laser de LISA et à la superbe stabilité de ses instruments, nous sonderons des ondes gravitationnelles de fréquences plus basses que ce qui est possible sur Terre, découvrant des événements d’une autre échelle, jusqu’à l’aube. de temps. »

Les ondes gravitationnelles sont des ondulations dans l’espace-temps produites par l’accélération d’objets très massifs, tels que des trous noirs qui se rassemblent et fusionnent. Différents objets dans l’espace produisent des ondes gravitationnelles d’échelles de temps différentes, allant de quelques millisecondes à des milliards d’années. Certaines de ces ondes ne peuvent être observées que depuis l’espace. Crédit : ESA

LISA détectera, à travers l’Univers tout entier, les ondulations dans l’espace-temps provoquées par la collision d’énormes trous noirs au centre des galaxies. Cela permettra aux scientifiques de retracer l’origine de ces objets monstrueux, de comprendre comment ils deviennent des millions de fois plus massifs que le Soleil et d’établir le rôle qu’ils jouent dans l’évolution des galaxies.

La mission est sur le point de capturer la « sonnerie » gravitationnelle prévue dès les premiers instants de notre Univers et d’offrir un aperçu direct des toutes premières secondes après l’apparition de l’Univers. Big Bang. De plus, étant donné que les ondes gravitationnelles transportent des informations sur la distance des objets qui les ont émises, LISA aidera les chercheurs à mesurer le changement dans l’expansion de l’Univers avec un type de critère différent de celui des techniques utilisées par Euclide et d’autres enquêtes, validant ainsi leurs résultats.

Plus près de chez nous, dans notre propre galaxie, LISA détectera de nombreuses paires d’objets compacts en fusion comme des naines blanches ou des étoiles à neutrons et nous donnera un aperçu unique des dernières étapes de l’évolution de ces systèmes. En localisant leur position et leurs distances, LISA permettra de mieux comprendre la structure du voie Lactéeen s’appuyant sur les résultats de la mission Gaia de l’ESA.

« Depuis des siècles, nous étudions notre cosmos en captant la lumière. Associer cela à la détection des ondes gravitationnelles apporte une dimension totalement nouvelle à notre perception de l’Univers », remarque Oliver Jennrich, scientifique du projet LISA.

« Si nous imaginons que, jusqu’à présent, avec nos missions d’astrophysique, nous avons observé le cosmos comme un film muet, capturer les ondulations de l’espace-temps avec LISA changera véritablement la donne, comme lorsque le son était ajouté aux films. »

En 2015, LISA Pathfinder a testé une technologie importante pour la prochaine mission LISA. Au centre de la démonstration technologique se trouvaient deux cubes en alliage d’or et de platine massif. Chaque cube est une masse test de 4,6 cm de côté et pesant 1,96 kg. L’un de ces cubes est illustré ici. Les trois vaisseaux spatiaux de la mission LISA accueilleront chacun deux de ces masses tests. Ils flottent librement et sont contenus dans un « boîtier d’électrode ». Les ondes gravitationnelles peuvent être découvertes lorsque les distances entre les cubes de différents vaisseaux spatiaux changent. LISA suivra ces changements en échangeant des faisceaux laser entre des paires adjacentes de vaisseaux spatiaux. Crédit : ESA

Cubes dorés et faisceaux laser

Pour détecter les ondes gravitationnelles, LISA utilisera des paires de cubes en or massif et platine – appelés masses de test (légèrement plus petites que les cubes Rubik), flottant librement dans un boîtier spécial au cœur de chaque vaisseau spatial. Les ondes gravitationnelles provoqueront de minuscules changements dans les distances entre les masses des différents engins spatiaux, et la mission suivra ces variations à l’aide de l’interférométrie laser.

Cette technique nécessite de projeter des faisceaux laser d’un vaisseau spatial à l’autre, puis de superposer leur signal pour déterminer les changements dans les distances des masses jusqu’à quelques milliardièmes de millimètres.

Le vaisseau spatial doit être conçu de manière à garantir que rien, hormis la géométrie de l’espace-temps lui-même, n’affecte le mouvement des masses en chute libre.

Un héritage solide et un travail d’équipe futur

Le vaisseau spatial suit les traces de LISA Pathfinder, qui a démontré qu’il était possible de maintenir les masses tests en chute libre avec un niveau de précision étonnant. Le même système de propulsion de précision qui a également été utilisé lors des missions Gaia et Euclid de l’ESA garantira que chaque vaisseau spatial maintiendra la position et l’orientation requises avec la plus haute vitesse. précision.

Sélectionnée pour être la troisième grande mission du programme Cosmic Vision 2015-2025 de l’ESA, LISA rejoindra la flotte scientifique d’observateurs cosmiques de l’ESA pour répondre à deux questions essentielles au cœur du programme : Quelles sont les lois physiques fondamentales de l’Univers ? Comment est né l’Univers et de quoi est-il constitué ?

Dans cette quête, LISA travaillera en collaboration avec l’autre grande mission de l’ESA actuellement à l’étude : NewAthena. Avec une date de lancement prévue pour 2037, NewAthena devrait être le plus grand observatoire à rayons X jamais construit.

L’ESA dirige la mission LISA et fournira le vaisseau spatial, le lancement, les opérations de la mission et la gestion des données. Les éléments instrumentaux clés sont les masses d’essai en chute libre, protégées des forces extérieures, fournies par l’Italie et la Suisse ; les systèmes de précision picométrique pour détecter le signal interférométrique, fournis par l’Allemagne, le Royaume-Uni, la France, les Pays-Bas, la Belgique, la Pologne et la République tchèque ; et le sous-système de diagnostic scientifique (un arsenal de capteurs à travers le vaisseau spatial), fourni par l’Espagne. Les lasers ultra-stables, les télescopes de 30 cm pour collecter leur lumière et les sources de lumière UV (pour décharger les masses tests) seront fournis par la NASA.