L'ESA (l'Agence spatiale européenne) a sélectionné l'antenne spatiale interférométrique laser (LISA) pour sa troisième mission de grande envergure dans le cadre du programme scientifique Cosmic Vision de l'agence. La constellation de trois engins spatiaux est conçue pour étudier les ondes gravitationnelles dans l'espace et est un concept étudié depuis longtemps par l'ESA et la NASA.

Le comité du programme scientifique de l'ESA a annoncé la sélection lors d'une réunion le 20 juin. La mission va maintenant être conçue, budgétisé et proposé pour adoption avant le début de la construction. LISA devrait être lancé en 2034. La NASA sera un partenaire de l'ESA dans la conception, développement, les opérations et l'analyse des données de la mission.

Le rayonnement gravitationnel a été prédit il y a un siècle par la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. Les objets en accélération massive tels que la fusion des trous noirs produisent des vagues d'énergie qui se propagent à travers le tissu de l'espace et du temps. La preuve indirecte de l'existence de ces vagues est venue en 1978, lorsque des changements subtils observés dans le mouvement d'une paire d'étoiles à neutrons en orbite ont montré que l'énergie quittait le système dans une quantité correspondant aux prédictions d'énergie emportée par les ondes gravitationnelles.

En septembre 2015, ces ondes ont d'abord été détectées directement par l'observatoire au sol d'interféromètre laser à ondes gravitationnelles (LIGO) de la National Science Foundation. Le signal est né de la fusion de deux trous noirs de masse stellaire situés à quelque 1,3 milliard d'années-lumière. Des signaux similaires provenant d'autres fusions de trous noirs ont depuis été détectés.

Sismique, les sources de bruit thermiques et autres limitent LIGO aux ondes gravitationnelles à plus haute fréquence d'environ 100 cycles par seconde (hertz). Mais trouver des signaux d'événements plus puissants, telles que les fusions de trous noirs supermassifs dans des galaxies en collision, nécessite la capacité de détecter des fréquences bien inférieures à 1 hertz, un niveau de sensibilité uniquement possible depuis l'espace.

LISA se compose de trois engins spatiaux séparés par 1,6 million de miles (2,5 millions de kilomètres) dans une formation triangulaire qui suit la Terre dans son orbite autour du soleil. Chaque vaisseau spatial transporte des masses d'essai qui sont protégées de telle sorte que la seule force à laquelle ils réagissent est la gravité. Les lasers mesurent les distances pour tester les masses dans les trois engins spatiaux. De minuscules changements dans la longueur de chaque bras de deux engins spatiaux signalent le passage des ondes gravitationnelles à travers la formation.

Par exemple, LISA sera sensible aux ondes gravitationnelles produites par les fusions de trous noirs supermassifs, chacun avec des millions ou plus de fois la masse du soleil. Il sera également capable de détecter des ondes gravitationnelles émanant de systèmes binaires contenant des étoiles à neutrons ou des trous noirs, provoquant le rétrécissement de leurs orbites. Et LISA peut détecter un fond d'ondes gravitationnelles produites pendant les premiers instants de l'univers.

Depuis des décennies, La NASA a travaillé au développement de nombreuses technologies nécessaires à LISA, y compris la mesure, systèmes de micropropulsion et de contrôle, ainsi que l'appui au développement de techniques d'analyse de données.

Par exemple, la mission de suivi GRACE, une collaboration américaine et allemande pour remplacer les satellites GRACE vieillissants dont le lancement est prévu à la fin de cette année, portera un système de mesure laser qui hérite de certaines des technologies développées à l'origine pour LISA. L'interféromètre de télémétrie laser de la mission suivra les changements de distance entre les deux satellites avec une précision sans précédent, fournissant la première démonstration de la technologie dans l'espace.

En 2016, LISA Pathfinder de l'ESA a démontré avec succès les technologies clés nécessaires à la création de LISA. Chacun des trois engins spatiaux de LISA doit voler en douceur autour de ses masses de test sans les déranger, un processus appelé vol sans traînée. Au cours de ses deux premiers mois d'exploitation, LISA Pathfinder a démontré ce processus avec une précision environ cinq fois supérieure aux exigences de sa mission et a ensuite atteint la sensibilité requise pour l'observatoire multi-engins complet. Des chercheurs américains ont collaboré sur certains aspects de LISA Pathfinder pendant des années, et la mission transporte une expérience fournie par la NASA appelée ST7 Disturbance Reduction System, qui est géré par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie.