Aujourd'hui, L'ESA a invité des scientifiques européens à proposer des concepts pour la troisième grande mission de son programme scientifique, pour étudier l'Univers gravitationnel.

Un observatoire spatial des ondes gravitationnelles – ondulations dans le tissu de l'espace-temps créées par l'accélération d'objets massifs – a été identifié en 2013 comme l'objectif de la troisième grande mission (L3) du plan Cosmic Vision de l'ESA.

Une équipe consultative de l'Observatoire gravitationnel a été nommée en 2014, composé d'experts indépendants. L'équipe a terminé son rapport final plus tôt cette année, recommandant en outre à l'ESA de poursuivre la mission après avoir vérifié la faisabilité d'une conception multisatellite avec des masses d'essai en chute libre reliées sur des millions de kilomètres par des lasers.

Maintenant, suite à la première détection des ondes insaisissables avec des expériences au sol et à la réussite de la mission LISA Pathfinder de l'ESA, qui a démontré certaines des technologies clés nécessaires pour détecter les ondes gravitationnelles de l'espace, l'agence invite la communauté scientifique à soumettre des propositions pour la première mission spatiale d'observation des ondes gravitationnelles.

"Les ondes gravitationnelles promettent d'ouvrir une nouvelle fenêtre pour l'astronomie, révélant des phénomènes puissants à travers l'Univers qui ne sont pas accessibles via les observations de la lumière cosmique, " dit Alvaro Giménez, Directeur scientifique de l'ESA.

Prédit il y a un siècle par la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein, les ondes gravitationnelles sont restées insaisissables jusqu'à la première détection directe par les collaborations au sol de l'interféromètre laser Gravitational-Wave Observatory et Virgo, fait en septembre 2015 et annoncé plus tôt cette année.

Le signal provient de la coalescence de deux trous noirs, chacun avec environ 30 fois la masse du Soleil et à environ 1,3 milliard d'années-lumière. Une deuxième détection a été faite en décembre 2015 et annoncée en juin, et a révélé les ondes gravitationnelles d'une autre fusion de trous noirs, cette fois impliquant des objets plus petits avec des masses autour de 7 et 14 masses solaires.

Pendant ce temps, la mission LISA Pathfinder a été lancée en décembre 2015 et a démarré ses opérations scientifiques en mars de cette année, tester certaines des technologies clés qui peuvent être utilisées pour construire un observatoire spatial des ondes gravitationnelles.

Les données recueillies au cours de ses deux premiers mois ont montré qu'il est en effet possible d'éliminer les perturbations externes sur les masses d'essai placées en chute libre au niveau de précision requis pour mesurer le passage des ondes gravitationnelles perturbant leur mouvement.

Alors que les détecteurs au sol sont sensibles aux ondes gravitationnelles avec des fréquences de l'ordre de 100 Hz - soit une centaine de cycles d'oscillation par seconde - un observatoire dans l'espace sera capable de détecter des ondes de plus basse fréquence, de 1 Hz à 0,1 mHz. Les ondes gravitationnelles avec différentes fréquences transportent des informations sur différents événements dans le cosmos, tout comme les observations astronomiques en lumière visible sont sensibles aux étoiles dans les principales étapes de leur vie, tandis que les observations aux rayons X peuvent révéler les premières phases de la vie stellaire ou les vestiges de leur disparition.

En particulier, les ondes gravitationnelles à basse fréquence sont liées à des objets cosmiques encore plus exotiques que leurs homologues à plus haute fréquence :trous noirs supermassifs, avec des masses de millions à des milliards de fois celle du Soleil, qui se trouvent au centre des galaxies massives. Les ondes sont libérées lorsque deux de ces trous noirs fusionnent lors d'une fusion de galaxies, ou lorsqu'un objet compact plus petit, comme une étoile à neutrons ou un trou noir de masse stellaire, spirale vers un trou noir supermassif.

L'observation des oscillations dans le tissu de l'espace-temps produites par ces événements puissants sera l'occasion d'étudier comment les galaxies se sont formées et ont évolué au cours de la vie de l'Univers, et tester la relativité générale d'Einstein dans son régime fort.

Les concepts de la mission L3 de l'ESA devront aborder l'exploration de l'Univers avec des ondes gravitationnelles à basse fréquence, compléter les observations effectuées au sol pour exploiter pleinement le nouveau domaine de l'astronomie gravitationnelle. La date de lancement prévue de la mission est 2034.

Les enseignements tirés de LISA Pathfinder seront cruciaux pour développer cette mission, mais beaucoup de nouvelles technologies seront également nécessaires pour étendre la conception d'un seul satellite à plusieurs satellites. Par exemple, des lasers bien plus puissants que ceux utilisés sur LISA Pathfinder, ainsi que des télescopes très stables, sera nécessaire pour relier les masses en chute libre sur des millions de kilomètres.

Les grandes missions du programme scientifique de l'ESA sont dirigées par l'ESA, mais aussi permettre une collaboration internationale. La première mission de grande classe est Juice, l'explorateur des lunes JUpiter ICy, lancement prévu en 2022, et la seconde est Athéna, le télescope avancé pour l'astrophysique des hautes énergies, un observatoire à rayons X pour étudier l'Univers chaud et énergétique, avec une date de lancement prévue en 2028.

Les lettres d'intention pour le nouvel observatoire spatial d'ondes gravitationnelles de l'ESA doivent être soumises avant le 15 novembre, et la date limite pour la proposition complète est le 16 janvier 2017. La sélection devrait avoir lieu au premier semestre 2017, avec une phase préliminaire d'étude interne prévue plus tard dans l'année.