Le banc optique AEI Hannover pour tester la technologie LISA avant son intégration dans la chambre à vide. Les trois lasers sont transmis via des fibres optiques. Crédit :D. Penkert/Max Planck Institute for Gravitational Physics
Pour la première fois, il a été possible de tester la technologie de mesure laser pour LISA dans des laboratoires presque dans des conditions de mission. Une équipe de chercheurs dirigée par le Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute; AEI) et l'Institute for Gravitational Physics de la Leibniz Universität à Hanovre, Allemagne, a réalisé la percée avec une nouvelle expérience. Le travail rejoint la mission LISA Pathfinder, qui a testé les technologies LISA dans l'espace de 2015 à 2017. LISA est un observatoire prévu dans l'espace qui détectera les ondes gravitationnelles inaccessibles sur Terre. Un consortium de scientifiques internationaux développe actuellement LISA en tant que mission de l'Agence spatiale européenne (ESA). Avec leur expérience, les scientifiques de l'AEI démontrent la fonctionnalité du phasemètre LISA, qui sera l'unité centrale de mesure de l'observatoire. Leur expérience peut également être facilement étendue pour des tests plus poussés et peut ainsi vérifier d'autres étapes de mesures de LISA en observatoire.
"Tous les composants de l'observatoire spatial LISA prévu doivent répondre à des exigences de précision strictes pour mesurer les ondes gravitationnelles, " dit le Dr Thomas Schwarze, auteur principal de l'article publié aujourd'hui dans la célèbre revue Lettres d'examen physique . "Créer des conditions dans un laboratoire dans lesquelles l'énorme précision de LISA peut être vérifiée nécessite un grand soin. Pour la première fois, nous pouvons tester une partie importante de la technologie LISA dans des conditions de mission presque réalistes dans nos laboratoires et montrer qu'elle fonctionne comme prévu."
LISA - un observatoire des ondes gravitationnelles dans l'espace
LISA devrait être lancé dans l'espace en 2034 en tant que mission de l'Agence spatiale européenne (ESA). La mission se composera de trois satellites qui créeront un triangle laser équilatéral avec chaque côté d'environ 2,5 millions de kilomètres de long. Les distances de ce vol en formation dans l'espace sont modifiées d'un trillionième de mètre par les ondes gravitationnelles.
Pour détecter ces petits changements, les instruments (phasemètres) des satellites LISA surveillent et mesurent la lumière laser échangée entre eux. Cette mesure doit être effectuée avec la plus grande précision - comme un microphone extrêmement précis avec un faible bruit et une faible distorsion - sur une large plage de 8 à 10 ordres de grandeur.
Tester les mesures LISA en laboratoire
Dans leur article, les chercheurs décrivent un nouveau dispositif expérimental qui, pour la première fois, permet des mesures LISA au laser dans un laboratoire dans des conditions de mission presque réalistes et l'utilise pour vérifier la précision du phasemètre.
L'installation se compose d'un banc optique qui, en raison de sa construction spéciale, est très précis et stable et élimine ainsi toutes les sources de bruit indésirables dix fois mieux que les expériences précédentes. La précision LISA requise dans le trillionième de gamme de mètre peut ainsi être atteinte.
La mission LISA proposée détectera les ondes gravitationnelles dans l'espace à l'aide d'un trio de satellites, séparés par des millions de kilomètres. Des lasers seront utilisés pour mesurer les changements infimes de leur distance relative induits par l'impact des ondes gravitationnelles. Crédit :AEI/MM/exozet; Simulation GW :NASA/C. Henze
Sur le banc optique, trois faisceaux laser produits de manière contrôlée sont superposés deux à deux afin d'obtenir six nouveaux faisceaux laser aux propriétés précisément définies. En superposant habilement trois de ces faisceaux mixtes et en mesurant leurs propriétés au phasemètre, sa fonction peut être vérifiée avec précision.
Test réussi dans des conditions de mission presque réalistes
Le phasemètre testé avec la configuration répond aux exigences de la mission sur presque toute la plage de mesure de LISA. Ce test réussi est le premier dans des conditions presque réalistes. Cela montre qu'avec la nouvelle configuration et avec de petites modifications, d'autres éléments centraux de la mission LISA peuvent être testés dans des conditions encore plus réalistes.
« Il est crucial de comprendre précisément tous les détails de la mission LISA et de les tester en amont en laboratoire, " explique le Pr Gerhard Heinzel, chef du groupe de recherche pour l'interférométrie spatiale à l'AEI Hanovre. "Ce n'est qu'ainsi que nous pourrons être sûrs que la mission complexe fonctionnera comme prévu. Une fois les satellites en orbite autour du Soleil, nous ne pouvons plus modifier le matériel."
Astronomie future des ondes gravitationnelles avec LISA
LISA mesurera des ondes gravitationnelles à basse fréquence avec des périodes d'oscillation de 10 secondes à plus d'une demi-journée, qui ne peut être observé avec des détecteurs sur Terre. De telles ondes gravitationnelles sont émises, par exemple, par des trous noirs supermassifs, des millions de fois plus lourd que notre Soleil, qui se confondent au centre des galaxies, les mouvements orbitaux de dizaines de milliers d'étoiles binaires de notre Galaxie, et peut-être de sources exotiques telles que les cordes cosmiques et l'écho du Big Bang.
Entre décembre 2015 et juillet 2017, la mission LISA Pathfinder a fait la démonstration d'autres composants LISA dans l'espace et a montré qu'ils dépassaient les exigences sur toute la bande de mesure LISA.
L'ESA mène actuellement l'étude du système de phase A avec le consortium international LISA. Une conception préliminaire des composants spatiaux doit être élaborée en vue de la mission.
