LISA Pathfinder, une mission menée par l'ESA (Agence Spatiale Européenne) avec des contributions de la NASA, a démontré avec succès les technologies essentielles nécessaires à la construction d'un observatoire spatial pour détecter les ondulations dans l'espace-temps appelées ondes gravitationnelles. Maintenant, une équipe de scientifiques de la NASA espère profiter de la sensibilité record du vaisseau spatial pour cartographier la distribution des minuscules particules de poussière libérées par les astéroïdes et les comètes loin de la Terre.

La plupart de ces particules ont des masses mesurées en microgrammes, semblable à un petit grain de sable. Mais avec des vitesses supérieures à 22, 000 mph (36, 000 km/h), même les micrométéoroïdes ont du punch. Les nouvelles mesures pourraient aider à affiner les modèles de poussière utilisés par les chercheurs dans diverses études, de la compréhension de la physique de la formation des planètes à l'estimation des risques d'impact pour les engins spatiaux actuels et futurs.

"Nous avons montré que nous avons une nouvelle technique et qu'elle fonctionne, " dit Ira Thorpe, qui dirige l'équipe du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "La prochaine étape consiste à appliquer soigneusement cette technique à l'ensemble de notre ensemble de données et à interpréter les résultats."

L'objectif principal de la mission était de tester dans quelle mesure le vaisseau spatial pouvait voler en formation avec une paire identique de cubes d'or-platine de 1,8 pouce (46 millimètres) flottant à l'intérieur. Les cubes sont des masses d'essai destinées à être en chute libre et ne répondant qu'à la gravité.

Le vaisseau spatial sert de bouclier pour protéger les masses d'essai des forces extérieures. Lorsque LISA Pathfinder réagit à la pression du soleil et aux impacts de poussière microscopique, le vaisseau spatial compense automatiquement en tirant de minuscules rafales de ses propulseurs en micronewtons pour éviter que les masses d'essai ne soient perturbées.

Les scientifiques appellent ce vol sans traînée. Au cours de ses deux premiers mois d'activité début 2016, LISA Pathfinder a démontré le processus avec une précision cinq fois supérieure aux exigences de sa mission, ce qui en fait l'instrument le plus sensible pour mesurer l'accélération jamais volé. Il a maintenant atteint le niveau de sensibilité nécessaire pour construire un observatoire complet des ondes gravitationnelles multi-engins.

"Chaque fois que de la poussière microscopique frappe LISA Pathfinder, ses propulseurs annulent la petite quantité d'impulsion transférée au vaisseau spatial, " a déclaré le co-investigateur de Goddard Diego Janches. " Nous pouvons inverser la tendance et utiliser les tirs du propulseur pour en savoir plus sur les particules d'impact. Le bruit d'une équipe devient les données d'une autre équipe."

Une grande partie de ce que nous savons sur la poussière interplanétaire se limite au voisinage de la Terre, grâce en grande partie au Long Duration Exposure Facility (LDEF) de la NASA. Lancé en orbite terrestre par la navette spatiale Challenger en avril 1984 et récupéré par la navette spatiale Columbia en janvier 1990, Le LDEF a accueilli des dizaines d'expérimentations, dont beaucoup ont été conçus pour mieux comprendre l'environnement des météorites et des débris orbitaux.

Les différentes compositions, les orbites et les histoires de différents astéroïdes et comètes produisent naturellement de la poussière avec une gamme de masses et de vitesses. Les scientifiques soupçonnent que les particules les plus petites et les plus lentes sont renforcées dans le voisinage de la Terre, les résultats du LDEF ne sont donc pas représentatifs du système solaire au sens large.

"Petit, les particules lentes à proximité d'une planète sont les plus sensibles à l'attraction gravitationnelle de la planète, que nous appelons focalisation gravitationnelle, " a déclaré Janches. Cela signifie que le flux de micrométéoroïdes près de la Terre devrait être beaucoup plus élevé que celui subi par LISA Pathfinder, situé vers 930, 000 miles (1,5 million de kilomètres) plus près du soleil.

Pour trouver les impacts, Tyson Littenberg au Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, Alabama, adapté un algorithme qu'il a développé à l'origine pour rechercher des ondes gravitationnelles dans les données des détecteurs au sol de l'Observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO), situé à Livingston, Louisiane, et Hanford, Washington. En réalité, c'était l'un des nombreux algorithmes qui ont joué un rôle dans la découverte des ondes gravitationnelles par LIGO, annoncé en février 2016.

« La façon dont cela fonctionne est que nous devinons à quoi pourrait ressembler le signal, puis étudiez comment LIGO ou LISA Pathfinder réagiraient si cette supposition était vraie, " expliqua Littenberg. " Pour LIGO, nous devinons à propos de la forme d'onde, les pics et les creux de l'onde gravitationnelle. Pour LISA Pathfinder, nous devinons un impact."

Pour cartographier la probabilité des sources probables, l'équipe génère des millions de scénarios différents décrivant ce que pourrait être la source et les compare à ce que le vaisseau spatial détecte réellement.

En réponse à un impact, LISA Pathfinder tire ses propulseurs pour contrer à la fois la « poussée » minute de la frappe et tout changement dans la rotation du vaisseau spatial. Ensemble, ces quantités permettent aux chercheurs de déterminer l'emplacement de l'impact sur le vaisseau spatial et de reconstituer la trajectoire originale du micrométéoroïde. Cela peut permettre à l'équipe d'identifier des flux de débris individuels et peut-être de les relier à des astéroïdes et des comètes connus.

"C'est une très belle collaboration, " a déclaré Paul McNamara, le scientifique du projet LISA Pathfinder à la Direction des sciences de l'ESA à Noordwijk, les Pays-Bas. "Ce sont des données que nous utilisons pour faire nos mesures scientifiques, et en tant que ramification de cela, Ira et son équipe peuvent nous parler de microparticules frappant le vaisseau spatial."

Son emplacement éloigné, sensibilité aux particules de faible masse, et la capacité de mesurer la taille et la direction des particules d'impact font de LISA Pathfinder un instrument unique pour étudier la population de micrométéoroïdes dans le système solaire interne. Mais ce n'est que le début.

"C'est une preuve de concept, mais nous espérons répéter cette technique avec un observatoire d'ondes gravitationnelles complet que l'ESA et la NASA étudient actuellement pour le futur, " a déclaré Thorpe. "Avec plusieurs engins spatiaux sur différentes orbites et un temps d'observation beaucoup plus long, la qualité des données devrait vraiment s'améliorer."

LISA Pathfinder est géré par l'ESA et comprend des contributions de la NASA Goddard et du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie. La mission lancée le 3 décembre 2015, et a commencé à tourner autour d'un point appelé Terre-Soleil L1, environ 930, 000 miles (1,5 million de km) de la Terre dans la direction du soleil, fin janvier 2016.

LISA signifie Laser Interferometer Space Antenna, un concept d'observatoire d'ondes gravitationnelles basé dans l'espace qui a été étudié en détail par la NASA et l'ESA. C'est un concept en cours d'exploration pour la troisième grande mission du plan de vision cosmique de l'ESA, qui cherche à lancer un observatoire des ondes gravitationnelles en 2034.