Parmi les temps forts du 55^e salon du Bourget, il y a eu la signature d'un contrat de 263 millions d'euros entre Thales Alenia Space et OHB System AGAG, maître d'œuvremaître d'œuvre de la mission Lisa (Laser Interferometer Space AntennaLaser Interferometer Space Antenna) de l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne, pour le développement d'éléments clés de cette mission inédite. Lisa sera le premier observatoire spatial capable de détecter et d'étudier les ondes gravitationnelles émises par les événements cosmiques violents. Cette mission permettra aux chercheurs d'étudier divers phénomènes cosmiques, comme les interactions entre étoiles compactes et la fusion de trous noirs supermassifstrous noirs supermassifs, tout en offrant un aperçu de l'univers avant la formation des étoiles et galaxies.

Ces ondes gravitationnellesondes gravitationnelles, prédites par la théorie de la relativité générale d'Albert EinsteinEinstein, résultent de l'accélération d'objets massifs et induisent des déformations dans l'espace-temps. Elles n'ont été découvertes qu'il y a seulement 10 ans, en septembre 2015. Notez qu'à l'occasion de cet anniversaire, nous vous proposerons une interview exclusive de Matteo Barsuglia, directeur de recherche au CNRS et l'un des spécialistes français des ondes gravitationnelles qui a contribué à leur détection.

Interview d’Antoine Petiteau, astrophysicien à l'IRFU au CEA et membre de l'équipe scientifique de la mission Lisa qui nous éclaire sur les enjeux et les objectifs passionnants de cette mission révolutionnaire. Antoine est aussi responsable du centre d'analyse de données européen de Lisa que coordonne la France. © Rémy Decourt

Trois satellites séparés de 2,5 millions de kilomètres

La mission Lisa se présente sous la forme de trois satellites placés aux sommets d'un triangle équilatéral de 2,5 millions de kilomètres de côté, suivant ou précédant la Terre dans son orbiteorbite autour du SoleilSoleil. Chaque satellite emportera deux massesmasses d'épreuve, et des faisceaux laser inter-satellites mesureront le déplacement de ces masses avec une précision de l'ordre du picomètre (plus petit qu'un atomeatome), ce qui nécessite une conception méticuleuse pour garantir un état de « chute libre » quasi parfait. Ce triplet de satellites doit être lancé en 2035 à bord d'Ariane 6Ariane 6.

Cette mission est si complexe qu'elle a nécessité le développement d'un démonstrateurdémonstrateur (Lisa Pathfinder) pour minimiser les risques de la mission Lisa. En effet, comme certaines technologies et instruments qui voleront à bord de Lisa ne peuvent pas être vérifiés au sol, étant donné que la gravitégravité et l'environnement de la Terre influencent les résultats des tests, ce démonstrateur était une nécessité pour prouver la capacité de maintenir des masses d'épreuve à l'état de « chute libre » avec un niveau de précision exceptionnel. Il a aussi démontré que le système de propulsion de Lisa garantira que chaque satellite garde les faisceaux des interféromètresinterféromètres laser pointés vers les autres satellites distants chacun de 2,5 millions de kilomètres, avec la plus grande précision.

Lisa Pathfinder a été lancé en décembre 2015 et a fonctionné de janvier 2016 à juillet 2017, autour du point de Lagrange 1, démontrant que la mission de Lisa était techniquement réalisable.

Pour prendre conscience des difficultés de développement de cette mission, qui durera 10 ans, Stefano Cesare, responsable du Programme Lisa chez Thales Alenia Space, apporte son éclairage et nous explique le rôle de son entreprise. Thales Alenia Space fournira à OHB l'avionique, le logiciellogiciel de contrôle des satellites, les systèmes de télécommunications et le système de contrôle d'attitude et de compensation de traînée (DFACS). Ce dernier établira et maintiendra les liaisons laser inter-satellites tout en compensant les forces non gravitationnelles, telles que la pressionpression de rayonnement solairerayonnement solaire, afin de garantir que les masses d'épreuve se déplacent selon des trajectoires géodésiques. Thales Alenia Space est également responsable d'assurer l'environnement opérationnel exceptionnel de la charge utile en termes d'électromagnétismeélectromagnétisme, de rayonnement et de gravité propre, indispensable au succès de la mission, pour laquelle elle gère en outre les budgets.

Futura : Quel est le calendrier de développement et comment les étapes clés seront-elles suivies et évaluées ?

Stefano Cesare : Le calendrier du projet Lisa prévoit le lancement des trois engins spatiaux en 2035. Le développement du projet est suivi à travers les principales étapes périodiques : examen des exigences du système (déjà en cours), examen préliminaire de la conception, examen critique de la conception, examen de qualification et examen final d'acceptation au cours duquel une commission d'experts indépendants évaluera les résultats obtenus et autorisera le passage à la phase suivante.

Futura : Quels tests ou simulations seront effectués pour garantir que les satellites résisteront aux conditions de l'espace et aux forces non gravitationnelles ?

Stefano Cesare : Chaque satellite et ses composants seront qualifiés pour résister aux charges de lancement et à la température rencontrée dans l'espace grâce à des tests spécifiques de vibrationvibration et de vide thermique sur des modèles dédiés, avant la mise en œuvre des unités de vol. La compensation des forces non gravitationnelles sur le satellite est vérifiée par une modélisationmodélisation et des simulations détaillées.

Futura : Quelles sont les spécifications pour l'environnement opérationnel en termes d'électromagnétisme, de rayonnement et de gravité ?

Stefano Cesare : L'instrument scientifique de Lisa doit fonctionner dans un environnement magnétique très propre (inférieur à 1 μT). Les charges électriques accumulées sur les masses d'essai par les particules hautement énergétiques qui pénètrent dans le satellite seront surveillées en permanence et éliminées. Les forces gravitationnellesforces gravitationnelles exercées sur les masses d'essai par les autres masses du vaisseau spatial doivent être modélisées et compensées en dessous de 1 nN.

Futura : Quelles technologies innovantes seront utilisées afin d'atteindre la sensibilité requise pour mesurer des déplacements de l'ordre du picomètre ?

Stefano Cesare : La variation de distance entre les masses d'essai produite par les ondes gravitationnelles est mesurée par interférométrieinterférométrie laser, comme dans les observatoires terrestresobservatoires terrestres LigoLigo et VirgoVirgo. Cependant, dans Lisa, les masses d'essai se trouvent à l'intérieur de satellites distants de 2,5 millions de kilomètres et lorsque le faisceau laser parcourt une telle distance, il arrive tellement atténuéatténué qu'il ne peut pas être simplement renvoyé comme dans les observatoires terrestres.

En fait, Lisa utilisera la technique du « transpondeur optique », dans laquelle une source laser sur chaque satellite sera verrouillée en phase avec le faisceau laser entrant et renverra la lumièrelumière générée localement vers le satellite distant. De plus, la phase mesurée par les interféromètres laser de chaque satellite sera ensuite traitée par la technique d'interférométrie à retard temporel (TDI) afin d'éliminer le bruit de fréquencefréquence laser, qui serait autrement dominant, en synthétisant des interféromètres virtuels à bras de longueur égale.

Stefano Cesare : Le rôle du système de contrôle d'attitude et sans traînée (DFACS) est au cœur de la mission Lisa. Il effectuera l'« acquisition de la constellationconstellation », opération consistant à établir et à maintenir les liaisons laser entre les satellites, et compensera les forces non gravitationnelles exercées sur le vaisseau spatial, telles que la pression de radiationpression de radiation solaire, afin que les masses d'essai suivent un mouvementmouvement purement géodésique dans la direction satellite-satellite. Le DFACS contrôlera simultanément 20 degrés de liberté sur chaque engin spatial. Sa fonctionnalité et ses performances seront testées à l'aide d'un simulateur haute fidélité. Celui-ci reproduit l'engin spatial ainsi que tous ses composants impliqués dans les boucles de contrôle. Il combine des modèles matériels et logiciels, chacun ayant été validé séparément par des tests spécifiques.

Futura : Quels sont les défis techniques les plus importants auxquels Thales Alenia Space doit faire face dans le développement des systèmes avioniques et de contrôle ?

Stefano Cesare : La mise en œuvre de toutes les fonctions de gestion et de contrôle du satellite et des instruments scientifiques dans un ordinateurordinateur central embarqué : ce dernier doit coordonner et synchroniser avec précision toutes les opérations nécessaires pour transformer trois satellites en un observatoire unique d'ondes gravitationnelles ; en outre, il doit garantir ses performances optimales pendant toute la duréedurée de la mission. La mise en œuvre d'un modèle de validation avionique représentatif de la constellation Lisa permettant de tester de bout en bout au sol les fonctionnalités et les performances de l'observatoire d'ondes gravitationnelles.

Futura : Quelles sont les attentes scientifiques concernant les résultats de Lisa et quelles découvertes sont envisagées ?

Stefano Cesare : La particularité de Lisa réside dans l'extension extrême de l'observatoire d'ondes gravitationnelles : une formation triangulaire de trois satellites dont les côtés mesurent 2,5 millions de kilomètres. Cela permet d'observer des ondes gravitationnelles dans une bande de fréquencesbande de fréquences basses (jusqu'à 0,1 mHz) qui n'est pas accessible par les observatoires terrestres, et avec une sensibilité beaucoup plus élevée.

Cette mission révolutionnaire permettra aux scientifiques d'étudier les ondes gravitationnelles générées par de nombreux types d'événements différents, depuis l'interaction d'étoiles compactes jusqu'à la fusion de trous noirs super-massifs au cœur des galaxies, afin d'élargir notre horizon cosmique jusqu'aux époques précédant la formation des étoiles et des galaxies, et d'explorer la nature fondamentale de la gravité et des trous noirs.

Futura : Quels impacts la mission Lisa pourrait-elle avoir sur les technologies ou les méthodes d'observation spatiale futures ?

Stefano Cesare : Lisa mettra en œuvre une toute nouvelle méthode d'observation de l'univers depuis l'espace. En effet, Lisa n'observera pas le rayonnement électromagnétique émis par les corps célestes et se propageant à travers l'espace-temps, mais les ondes gravitationnelles qui sont des ondulations de l'espace-temps lui-même produites par l'accélération d'objets massifs. Contrairement aux observatoires spatiaux « traditionnels », qui utilisent des télescopestélescopes pour collecter le rayonnement électromagnétique, Lisa détectera les ondes gravitationnelles en mesurant les déformations qu'elles produisent dans la géométrie de l'espace-temps.

En particulier, le passage d'une onde gravitationnelle modifie les distances entre les « masses d'essai » contenues dans chacun des trois engins spatiaux formant la constellation Lisa. Des interféromètres laser entre les engins spatiaux mesureront la variation de ces distances avec une résolutionrésolution inférieure à la taille d'un atome. Dans un certain sens, on peut dire que, tandis que les autres observatoires spatiaux voient les images des objets cosmiques, Lisa « entendra » le son qu'ils produisent.