“Les appareils sont des optiques de haute précision absolue”

Dans un peu plus de dix ans, un nouveau détecteur recherchera les ondes gravitationnelles – et pour la première fois dans l’espace. A cet effet, LISA, abréviation de “Laser Interferometer-Space Antenna”, se compose de trois satellites qui flotteront dans l’espace à une distance de 2,5 millions de kilomètres, enjambant ainsi un triangle équilatéral. Afin de détecter les ondes gravitationnelles avec cet interféromètre, les distances entre les satellites sont comparées à l’aide de faisceaux laser. Parce que lorsque les ondes gravitationnelles traversent l’interféromètre, les distances entre elles changent très peu. Dans une interview avec Welt der Physik, Jens Reiche du Max Planck Institute for Gravitational Physics à Hanovre explique comment LISA fonctionne et quelles sources d’ondes gravitationnelles peuvent être détectées avec.

Monde de la physique : qu’est-ce que les astronomes veulent étudier avec LISA à l’avenir ?

Jens Reiche : Nous voulons utiliser LISA pour détecter les ondes gravitationnelles à basse fréquence dans la gamme de 0,1 millihertz et 1 hertz. Il y a quelques années, il a été possible de détecter pour la première fois des ondes gravitationnelles. Ces secousses spatio-temporelles sont émises lorsque de grandes masses sont fortement accélérées. Des exemples en sont les supernovae, deux trous noirs extrêmement massifs en orbite ou des trous noirs fusionnés. Même si des forces énormes sont à l’œuvre dans de tels événements astronomiques, les changements, c’est-à-dire les ondulations dans l’espace-temps, sont très faibles en raison de la rigidité de l’espace.

Comment les ondes gravitationnelles peuvent-elles être détectées ?

Nous mesurons finalement les minuscules changements de distance causés par les ondulations dans l’espace-temps. L’amplitude du changement de longueur par rapport à la distance réelle est d’un millième de milliardième de milliardième. L’effet mesurable aux distances typiques de plusieurs millions à plusieurs milliards d’années-lumière de l’origine des ondes gravitationnelles dans un observatoire terrestre correspond à peine à un millième du diamètre d’un proton. Cependant, les observatoires d’ondes gravitationnelles au sol tels que LIGO, Virgo et KAGRA peuvent en effet mesurer cela.

Alors pourquoi avez-vous besoin d’un observatoire dans l’espace ?

Les détecteurs sur Terre sont limités en longueur. Aujourd’hui, les ondes gravitationnelles sont typiquement étudiées avec des interféromètres laser de quelques kilomètres de long. Avec ces appareils, les changements de distance peuvent être déterminés avec une extrême précision, de sorte qu’une onde gravitationnelle passant à travers peut être reconnue comme de minuscules augmentations et diminutions périodiques de distance. Avec ces interféromètres laser, cependant, on ne peut détecter que dans une certaine gamme de fréquences – environ 10 Hertz à quelques kilohertz. Mais si vous voulez mesurer des fréquences plus basses, c’est un peu comme dans la technologie radio : pour les basses fréquences et donc les longueurs d’onde élevées, vous avez besoin d’antennes de taille correspondante. C’est pareil chez nous. De plus, les basses fréquences ne peuvent pas être mesurées sur Terre car les perturbations dues aux vibrations des bâtiments, au trafic, etc. sont beaucoup trop importantes dans cette zone. De plus, les vibrations sismiques terrestres sont perturbatrices et ne permettent pas de mesurer à des fréquences plus basses.

Comment fonctionne LISA ?

Il s’agit d’un trio de satellites conçus pour orbiter autour du Soleil à une certaine distance de la Terre. Les trois satellites forment un triangle équilatéral d’environ 2,5 millions de kilomètres de côté. C’est environ 6,5 fois la distance entre la Terre et la Lune. Chaque satellite dispose désormais d’un système laser spécial à bord, appelé interféromètre laser, avec lequel il envoie en continu des faisceaux laser aux deux autres satellites. Mon équipe et moi avons également participé au développement de ce système laser. Cela permet de mesurer avec une extrême précision les distances entre les satellites et leurs changements. Chaque satellite embarque également deux masses d’essai.

Quelle est la fonction des masses d’essai ?

En comparant la télémétrie laser entre les satellites avec la position des masses d’essai, on peut alors déterminer les fluctuations provoquées par les ondes gravitationnelles. La masse d’essai doit être en chute libre. La position de ces masses est constamment mesurée et chaque satellite est piloté avec des moteurs spéciaux de manière à ce que ces masses d’essai flottent sans contact dans leur logement et servent ainsi de référence parfaite. Et ils doivent être protégés de diverses influences extérieures, telles que le vent solaire ou les champs électromagnétiques. Parce que les satellites eux-mêmes sont soumis à des forces extérieures telles que le vent solaire, ce qui rend les mesures difficiles. Avec LISA, nous pouvons alors mesurer les ondes gravitationnelles qui oscillent beaucoup plus lentement qu’une fois par seconde.

Quelles sont les sources d’ondes gravitationnelles aussi lentes ?

Les sources d’ondes gravitationnelles à basse fréquence comprennent les processus lents de corps massifs, en particulier les systèmes binaires d’étoiles lourdes, d’étoiles à neutrons ou même de trous noirs. LISA pourrait détecter de tels systèmes des années avant qu’ils ne fusionnent réellement, s’ils orbitent encore plus lentement. Les observatoires terrestres ne “voient” cela que quelques instants après la fusion, car ce n’est que dans les dernières orbites que la fréquence orbitale devient suffisamment élevée pour qu’ils soient détectés par les interféromètres. Bien sûr, il serait également passionnant de découvrir des types de sources inattendus ou même des sources issues de la matière noire.

Quelles difficultés particulières une telle mission spatiale implique-t-elle ?

Les appareils sont des optiques de haute précision absolue. C’est tout un exploit de l’installer en laboratoire. Si vous voulez utiliser quelque chose comme ça dans un satellite, vous devez non seulement tenir compte du fait qu’il existe des températures extrêmes dans l’espace. Le lancement de la fusée, ainsi que les violentes vibrations, ne sont pas forcément propices à une expérience de précision. C’est pourquoi LISA passe par un processus de qualification complexe en plusieurs étapes dans lequel tous les composants sont développés et testés à partir de zéro pour ces conditions. Le démonstrateur technologique LISA Pathfinder a testé les nouvelles technologies dans l’espace il y a quelques années et a livré de très bons résultats. C’est pourquoi nous sommes convaincus que LISA sera également un succès.

De tels interféromètres laser peuvent-ils également être utilisés ailleurs ?

À l’avenir, ils joueront un rôle important dans l’observation de la Terre. Le duo de satellites “Grace Follow-On” est déjà en orbite autour de la Terre. Ces deux satellites survolent la Terre en succession rapide. Selon l’intensité de la gravité terrestre en certains points, l’un puis l’autre est accéléré un peu plus ou moins sur son orbite, ce qui modifie les distances entre les deux satellites. Cela permet de créer des “cartes de gravité” de la terre, à partir desquelles on peut lire, par exemple, la fonte des glaciers au Groenland en raison de la perte de masse qui en résulte, la modification des régimes de précipitations et de nombreux autres paramètres importants. Grace Follow-On utilise actuellement le rayonnement micro-ondes comme instrument principal, mais dispose également d’un interféromètre laser à bord à des fins de test. Il a maintenant été démontré que ce dernier fournit de bien meilleures données que le télémètre hyperfréquence. La mission de suivi de Grace Follow-On utilisera donc un interféromètre laser comme instrument principal. Cela augmentera considérablement la précision des mesures et fournira ainsi des cartes qui seront d’une grande valeur pour la recherche sur l’hydrologie et le climat. C’est un merveilleux exemple de la façon dont le développement technologique de la recherche fondamentale pure – ici l’interféromètre laser pour l’observation des ondes gravitationnelles – peut également être transféré à des applications socialement pertinentes.