GRACE-FO démontrera l'efficacité d'utiliser des lasers au lieu de micro-ondes pour mesurer plus précisément les fluctuations de la distance de séparation entre les deux engins spatiaux, améliorer potentiellement la précision des mesures de fluctuation de distance par un facteur d'au moins 10 sur les futures missions de type GRACE. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Imaginez-vous debout sur le toit d'un immeuble à Los Angeles et essayez de pointer un laser avec une précision telle que vous pourriez toucher un immeuble particulier à San Diego, à plus de 100 miles (160 kilomètres) de distance. Cette précision est nécessaire pour l'exploit qu'une nouvelle démonstration de technologie à bord de la mission GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On) qui sera bientôt lancée. Pour la première fois, une technique prometteuse appelée interférométrie par télémétrie laser sera testée entre deux satellites.
GRACE-FO, lancement prévu le 19 mai, perpétue le riche héritage de la mission originale de GRACE, qui a lancé en 2002 sur une mission prévue de cinq ans et a conclu ses opérations en octobre 2017. Parmi ses idées, GRACE a transformé notre compréhension du cycle mondial de l'eau en montrant comment les masses d'eau liquide et de glace changent chaque mois. La mission a également ajouté à notre connaissance des changements à grande échelle dans la Terre solide. GRACE-FO assurera la continuité des mesures de référence de GRACE pendant au moins cinq ans, améliorer encore la compréhension scientifique des processus du système terrestre et l'exactitude de la surveillance et des prévisions environnementales.
Comment GRACE a-t-elle fonctionné ?
GRACE a obtenu ses données sur le mouvement de la masse terrestre en mesurant avec précision de légers changements dans la distance entre deux engins spatiaux qui volaient l'un derrière l'autre autour de la Terre. Lorsque les satellites ont rencontré un changement dans la répartition de la masse de la Terre, comme une chaîne de montagnes ou une masse d'eau souterraine, l'attraction gravitationnelle de la Terre sur le vaisseau spatial a modifié la distance entre eux. Les montagnes de l'Himalaya, par exemple, modifié la distance de séparation d'environ trois centièmes de pouce (80 micromètres). En calculant avec précision chaque mois comment la distance de séparation des satellites a changé au cours de chaque orbite et au fil du temps, il était possible de détecter des changements dans la distribution de masse de la Terre avec une grande précision.
La mesure du changement dans la séparation entre les engins spatiaux était possible avec un haut degré de précision car chaque engin spatial transmettait des micro-ondes vers l'autre. La façon dont les ondes interagissaient les unes avec les autres - la façon dont elles interféraient les unes avec les autres - a créé un interféromètre à micro-ondes dans l'espace. Ce processus a essentiellement transformé les deux engins spatiaux en un seul instrument capable de mesurer très précisément le changement de distance entre eux, qui à son tour peut être lié à des changements dans la répartition des masses sur Terre.
L'instrument interféromètre de télémétrie laser. Crédit :Institut Albert Einstein, Hanovre, Allemagne. Crédit :NASA
Quoi de neuf sur GRACE-FO ?
GRACE-FO travaille sur ces mêmes principes. Chaque vaisseau spatial transporte à nouveau un instrument à micro-ondes pour suivre les changements dans la distance de séparation. Mais GRACE-FO apporte aussi quelque chose de nouveau :une démonstration technologique d'un interféromètre à télémétrie laser (LRI), géré conjointement par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, et le Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert-Einstein Institut) à Hanovre, Allemagne. En plus de transmettre des micro-ondes entre eux, les satellites GRACE-FO se braqueront des lasers les uns sur les autres.
Étant donné que les longueurs d'onde d'un faisceau laser sont nettement plus courtes que les longueurs d'onde des micro-ondes, l'interféromètre de télémétrie laser améliorera la précision de suivi des changements de séparation, tout comme une mesure en millimètres au lieu de centimètres serait plus précise. L'interféromètre de GRACE-FO détectera des changements de distance plus de 10 fois plus petits que ce que l'instrument à micro-ondes détecte, des changements de l'ordre de 100 fois plus étroits qu'un cheveu humain.
"Avec GRACE-FO, nous prenons quelque chose d'avant-garde du laboratoire et le préparons pour le vol spatial, " a déclaré Kirk McKenzie, le gestionnaire d'instruments LRI au JPL. "La raison pour laquelle nous passons des décennies à travailler en laboratoire est de voir notre technologie permettre un nouveau type de mesure et aboutir à des découvertes scientifiques."
Chaque satellite GRACE-FO pourra détecter le signal laser de l'autre. Mais ce n'est pas une mince affaire. Chaque laser a la puissance d'environ quatre pointeurs laser et doit être détecté par un vaisseau spatial à une distance moyenne de 137 miles (220 kilomètres). Même l'assemblage ultra-précis des satellites ne suffit pas à garantir que le laser transmis par chaque engin spatial sera suffisamment bien aligné pour toucher l'autre engin spatial.
GRACE-FO mesurera les changements mensuels de l'attraction gravitationnelle résultant des changements de la masse de la Terre sous les satellites en orbite. Alors que les satellites orbitent autour de la Terre, l'un à la suite de l'autre, ces masses en mouvement modifient l'attraction gravitationnelle en dessous d'elles, en changeant très légèrement la distance entre eux. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Par conséquent, McKenzie explique, la première fois que l'interféromètre de télémétrie laser est allumé, les composants du LRI sur chaque vaisseau spatial doivent effectuer un balayage pour envoyer les signaux de l'instrument et essayer de "capter" les signaux de l'autre dans toutes les configurations possibles. Le vaisseau spatial a tellement de configurations possibles, cela prend neuf heures. Pendant une milliseconde sur ces neuf heures, il y aura un flash sur les deux vaisseaux spatiaux pour montrer qu'ils se parlent. Après cette acquisition de signal se produit une fois, la liaison optique de l'interféromètre sera formée puis l'instrument est conçu pour fonctionner en continu et de manière autonome.
"Nous essayons quelque chose de très difficile :la toute première démonstration d'interférométrie laser dans l'espace entre satellites, " dit Gerhard Heinzel, l'instrument manager de l'Institut Max Planck. "Mais c'est très satisfaisant de réfléchir à un problème et de trouver quelque chose qui fonctionne."
La difficulté de la tâche nécessitait d'exploiter différents domaines d'expertise. JPL a supervisé le laser sur l'interféromètre, électronique de mesure et cavité optique. L'Institut Max Planck était responsable de l'optique, détecteurs, miroirs et séparateurs de faisceaux. L'interféromètre de télémétrie laser GRACE-FO a également tiré parti des 15 années de collaboration des deux groupes sur la technologie à l'origine de la mission ESA/NASA Laser Interferometer in Space Antenna (LISA), qui sera lancé au début des années 2030.
Pourquoi essayer quelque chose d'aussi difficile ?
"L'interféromètre de télémétrie laser sur GRACE-FO est potentiellement une technologie habilitante pour de futures missions autour de la Terre ou même pour regarder l'univers, " a déclaré Frank Webb, Scientifique du projet GRACE-FO au JPL. "Ce nouveau, une mesure plus précise devrait permettre à l'avenir des missions plus efficaces avec une masse plus faible, puissance et coût. Nous sommes impatients de voir comment il fonctionne et quels nouveaux signaux nous pourrions être en mesure d'extraire des données."
En cas de succès, cette nouvelle technologie, avec un accéléromètre amélioré, promet d'améliorer la résolution des futures missions de type GRACE-FO à mieux que 200 miles (300 kilomètres) de diamètre, permettant aux futures missions de suivre et de localiser les changements dans les petits plans d'eau, glace et la Terre solide.
