Au picomètre près
L'ESA vient de présenter les résultats de sa mission LISA Pathfinder. Les instruments de mesure et le système de commande que le groupe du professeur de l'ETH Domenico Giardini a développés pour LISA Pathfinder sont même plus précis que prévu. La technologie est prête à être utilisée dans l'observatoire d'ondes gravitationnelles LISA.
En décembre, une fusée a décollé de Kourou avec à son bord le satellite LISA Pathfinder de l'Agence spatiale européenne (ESA). Pendant 12 mois, LISA Pathfinder devrait tester les technologies de mesure avec lesquelles les scientifiques souhaitent détecter les ondes gravitationnelles à l'avenir. Selon la théorie de la relativité générale d'Einstein, les ondes gravitationnelles devraient appara?tre lorsque des événements extrêmement énergétiques se produisent dans l'univers, comme la réunion de deux trous noirs.
Après seulement deux mois, l'ESA a pu annoncer le 7.6.2016 à Madrid : La technologie de mesure a fait ses preuves lors d'expériences et de tests. Dans la dernière édition du journal Physical Review Letters, le consortium LISA Pathfinder montre que les deux masses d'essai à bord du satellite ne bougent pratiquement pas l'une par rapport à l'autre : elles ne s'accélèrent mutuellement que d'une fraction inimaginable (10-15) de l'accélération terrestre (g=9,8 m/sec2). En particulier, le système de mesure sophistiqué est capable de déterminer les écarts de position extrêmement faibles des cubes - à un picomètre près. Le système de mesure dépasse ainsi nettement les exigences.
Le professeur de l'ETH Domenico Giardini et son équipe ont développé les instruments de mesure pour LISA Pathfinder et l'électronique de commande qui maintient le satellite sur une orbite calme. Dans une interview avec Actualités ETH, le sismologue explique la signification des résultats et comment les ondes gravitationnelles seront étudiées dans l'espace à l'avenir.
Actualités ETH : ?tes-vous satisfait des résultats de la mission LISA Pathfinder ?
Domenico Giardini : Oui, je suis très satisfait. Le système de mesure et de contr?le que nous avons développé à l'ETH Zurich est extrêmement précis. Les deux cubes de masse ne se déplacent l'un par rapport à l'autre que d'un picomètre - 0,000000000001 mètre. C'est incroyablement peu ! Un atome d'hélium, le plus petit de tous les atomes, mesure environ 32 picomètres de diamètre. Sur Terre, avec des instruments normaux, il n'est plus possible de détecter des décalages de position aussi infimes. C'est pourquoi nous avons d? développer tous les instruments à partir de zéro et les tester dans l'espace.
Pourquoi cette haute précision est-elle nécessaire ?
La technologie testée avec LISA Pathfinder doit servir à une mission bien plus importante : "LISA : Laser Interferometer Space Antenna", un observatoire spatial avec lequel l'ESA veut mesurer les ondes gravitationnelles. Pour ce faire, l'ESA lancera probablement en 2034 trois satellites dans l'espace et les disposera en triangle. Ceux-ci seront situés à des millions de kilomètres de la Terre. Chacun d'entre eux emporte avec lui deux de ces corps massifs ; des rayons laser relient les masses d'un satellite à l'autre. Dans le cas de LISA Pathfinder, la distance entre les masses n'était que de 48 centimètres. Avec LISA, elle sera d'au moins 1,5 million de kilomètres, peut-être même jusqu'à 5 millions de kilomètres. Cela n'a pas encore été déterminé. La précision pour détecter les écarts entre les corps de masse doit donc être beaucoup plus élevée.
L'automne dernier, des physiciens ont mis en évidence, gr?ce au page externeExpérience LIGO a démontré pour la première fois l'existence des ondes gravitationnelles. Cela n'a-t-il pas eu un effet plut?t négatif sur LISA ? Non, absolument pas. La détection des ondes gravitationnelles avec LIGO a été positive pour LISA : tout va maintenant beaucoup plus vite.
Pour quelles raisons ?
LIGO n'a détecté qu'un épisode d'une fraction de seconde. Celui-ci a été produit par une collision entre deux trous noirs. Chacun d'eux avait une masse trente fois supérieure à celle de notre Soleil et ils sont distants de 1,3 milliard d'années-lumière. L'ESA est donc encore plus convaincue de la nécessité de LISA. Car nous savons maintenant que les ondes gravitationnelles existent et que nous pouvons voir les événements les plus énergétiques. Auparavant, nous devions d'abord convaincre les bailleurs de fonds, les autres scientifiques et les partenaires industriels qu'Einstein avait raison, que cette recherche était nécessaire pour prouver ses théories. Il est clair que ces recherches co?tent cher, mais gr?ce aux découvertes de LIGO, les bases de LISA sont plus solides que jamais.
Mais LIGO ne rend-il pas la mission LISA un peu superflue ?
Non. LIGO continuera à rechercher des ondes gravitationnelles et l'infrastructure sera développée. Mais on ne détectera que très peu d'épisodes par an avec ces installations, car le "bruit" sur Terre est très élevé. De plus, LIGO ne peut mesurer que des longueurs d'onde de quelques kilomètres, car celles-ci correspondent à la taille de cette installation. En revanche, le système de mesure prévu dans l'espace dans le cadre de LISA aura une longueur de plusieurs millions de kilomètres. Nous pourrons ainsi enregistrer des fréquences d'ondes gravitationnelles très différentes et des dizaines de milliers d'événements par an. Le "bruit" que nous verrons ne sera plus celui de la Terre, mais les signaux des plus grands événements de l'univers !
La technologie de LISA Pathfinder peut-elle être transposée aux dimensions gigantesques de LISA ?
Le principe de l'expérience est identique. La plupart des instruments comme les cubes de masse, leurs contenants, les capteurs qui mesurent où se trouve la masse, tout peut être repris. Nous devons cependant décupler la précision. Le système laser sera également différent pour LISA ; il faudra des lasers plus puissants pour couvrir la grande distance d'un satellite à l'autre.
Serez-vous aussi impliqué dans LISA ?
Mon groupe et celui du professeur Philippe Jetzer de l'Université de Zurich continueront à participer. Nos groupes travaillent de manière complémentaire : nous travaillons sur l'électronique de mesure et de contr?le, le groupe de Jetzer sur les bases astrophysiques. La première réunion à l'ESA a déjà eu lieu. Actuellement, nous sommes en train de préparer les spécifications de cette mission. Nous espérons que LISA sera lancé dans quelques années.
Retour à LISA Pathfinder. Qu'advient-il maintenant du satellite ?
L'ESA mène des expériences sur cette plateforme pendant trois mois supplémentaires. Celles-ci visent à mieux comprendre les effets qui influencent la précision. Ensuite, le satellite se dirigera progressivement vers le soleil. Nous ne verrons pas la fin de son voyage.
Pourquoi un sismologue est-il impliqué dans une mission spatiale d'étude des ondes gravitationnelles ?
Le c?ur de l'expérience est de pouvoir mesurer avec une grande précision la position d'une masse à l'intérieur de l'instrument. Cela correspond au principe d'un sismomètre ! Et les ondes gravitationnelles sont en fin de compte des ondes, et les sismologues sont spécialisés dans la mesure des ondes.
Quand vous regardez en arrière sur ce projet : Est-ce l'une des choses les plus difficiles, les plus importantes que vous ayez faites dans votre carrière ?
Si l'on se réfère à la durée et à la difficulté technique du projet, la réponse est oui. L'idée de mesurer les ondes gravitationnelles dans l'espace est née il y a 40 ans. A l'époque, elle s'est heurtée aux possibilités techniques. L'ESA a donc décidé plus tard de réaliser une mission test - LISA Pathfinder. Ce projet à lui seul m'a pris 15 ans de ma carrière. Maintenant, avec LISA, j'ai encore 15 ans devant moi. C'est le projet de toute une vie. Ce n'est pas souvent que l'on peut participer à un projet qui dure 30 ans. C'est donc un grand honneur pour moi d'en faire partie !