LISA PATHFINDER, la maîtrise de l’instrument

La mis­sion LISA PATHFINDER est un démon­stra­teur tech­nologique et con­stitue une pre­mière étape pour l’observation des ondes grav­i­ta­tion­nelles depuis l’espace. Le satel­lite a été lancé par l’ESA le 3 décem­bre 2015 sur une fusée VEGA. (voir vidéos en fin d’ar­ti­cle)

Le satel­lite LISA PATHFINDER est la pre­mière pierre de la future mis­sion large de l’E­SA: LISA

La mis­sion est un suc­cès total, elle a sur­passé les objec­tifs ini­ti­aux de plus d’un ordre de grandeur, dépas­sant même les con­traintes imposées par les per­for­mances de LISA et nous allons détailler l’ex­per­tise dans le traite­ment des don­nées de le Lab­o­ra­toire astropar­tic­ule et cos­molo­gie (APC) pour par­ticiper à l’ob­ten­tion de cette réussite.

La fais­abil­ité de ce type d’observatoire repose sur notre capac­ité à isol­er une masse d’épreuve de toutes per­tur­ba­tions autres que celles issues d’une onde grav­i­ta­tion­nelle. Lors du pas­sage de cette onde, la masse est déplacée engen­drant une mod­i­fi­ca­tion de la phase du sig­nal inter­férométrique.

Dans LISA PATHFINDER on place deux mass­es de 2 kg d’un alliage or/platine et séparées de 38 cm (dans LISA les mass­es seront séparées de 2,5 Mil­lions de Km) Ces mass­es sont lais­sées totale­ment libres de tous con­tacts mécaniques dans le satel­lite. Leur accéléra­tion rel­a­tive con­stitue notre mesure de référence.

Le banc optique per­met la généra­tion et la mesure d’un sig­nal inter­férométrique hétéro­dyne entre les deux mass­es. La phase de ce sig­nal est directe­ment pro­por­tion­nelle aux déplace­ments relat­ifs des mass­es tests (voir image ci-dessous)

Mass­es Tests

Banc optique entre les 2 masses

Le niveau req­uis sur la sta­bil­ité du mou­ve­ment est de l’ordre du pm (picomètre). En ter­mes d’accéléra­tion, ce sont des valeurs de l’ordre du fm s^-2/Hz qui ont été atteintes lors des opéra­tions sci­en­tifiques. À ces niveaux de pré­ci­sions et dans cette gamme de fréquence il est impos­si­ble de tester ceci sur la terre, les mou­ve­ments sis­miques étant de plusieurs ordres de grandeurs supérieurs.

LISA PATHFINDER fonc­tionne sur un mod­èle atyp­ique pour une mis­sion spa­tiale : celui d’un lab­o­ra­toire dans l’espace. Chaque semaine un plan de charge est établi où des inves­ti­ga­tions sont con­duites sur le satellite.

Les don­nées sont ensuite analysées par des équipes sci­en­tifiques dépêchées directe­ment au cen­tre d’opérations de l’ESA à Darm­stadt.

L’une des expéri­ences con­siste à exercer un gra­di­ent ther­mique de typ­ique­ment 10mK de part et d’autre d’une masse d’épreuve pour accentuer les effets de la tem­péra­ture mais égale­ment ceux du vide résidu­el sur l’accélération dif­féren­tielle. Une autre expéri­ence vise à étudi­er les effets de la pres­sion de radi­a­tion du Laser sur le mou­ve­ment de la masse.

L’APC a active­ment par­ticipé aux opéra­tions à l’ESA pour tous les types d’expériences. Plus par­ti­c­ulière­ment le lab­o­ra­toire a été respon­s­able de la car­ac­téri­sa­tion et la con­duite d’expériences en vol sur les micro-propulseurs à gaz froid.

Ces micro-propulseurs jouent un rôle cru­cial sur le mécan­isme de com­pen­sa­tion de trainée ou drag free. Mécan­isme qui con­siste à annuler les per­tur­ba­tions externes en recen­trant le satel­lite en per­ma­nence autour des masses.

Pho­tos micro-moteur (exem­ple)

Principe

Syn­op­tique

Le degré d’intégration d’une mis­sion comme LISA PATHFINDER rend la mesure extrême­ment sen­si­ble à son envi­ron­nement. À titre d’exemple, les qua­torze grammes de car­bu­rant con­som­més par jour mod­i­fient suff­isam­ment le champ grav­i­ta­tion­nel local pour être vu directe­ment sur l’accélération entre nos deux mass­es d’épreuve.

Traitement des données

L’équipe de l’APC a égale­ment été très impliquée dans le net­toy­age final des don­nées et notam­ment l’identification et la sous­trac­tion de tran­si­toires empêchant les mesures à très bass­es fréquences (voir image ci-dessous). L’infrastructure du FACE et son clus­ter de cal­cul ont large­ment été mis à con­tri­bu­tion pour cette activité.

Tran­si­toire par­a­site et sig­nal nettoyé

Spec­tre net­toyé dans les hautes fréquences

Per­for­mances obtenues meilleure que les spé­ci­fi­ca­tions LISA

Cette étape a per­mis le traite­ment de séries de don­nées beau­coup plus longues et ain­si de mesur­er et com­pren­dre les per­for­mances de l’instrument aux très bass­es fréquences (jusqu’à vingt μHz). Ceci per­me­t­tant une plus grande sen­si­bil­ité envis­age­able pour la future expéri­ence LISA et un suc­cès impor­tant pour les équipes de l’APC.

La dernière com­mande a été envoyée le 18 juil­let 2017. Les analy­ses de don­nées sur LISA PATHFINDER sont tou­jours en cours et les résul­tats con­stitueront l’une des bases sur laque­lle s’appuiera la future mis­sion LISA.

Con­tact: Joseph Mar­ti­no (APC)

Sché­ma sim­pli­fié représen­tant les dif­férents réser­voirs de gaz froid par rap­port à l’axe sen­si­ble entre les deux mass­es. Les cubes en jaunes représen­tent les deux mass­es d’épreuve. La perte de 14 grammes de car­bu­rant par jour entraine une mod­i­fi­ca­tion du champ grav­i­ta­tion­nel local. Cette mod­i­fi­ca­tion à son tour se traduit par une dérive de l’accélération dif­féren­tielle entre les deux mass­es avec une pente de 0.5pm.s-2.

Courbe de sen­si­bil­ité de LISA PATHFINDER mesurée en Avril 2016. Cette dernière représente l’amplitude spec­trale de bruit de l’accélération entre les deux mass­es en fonc­tion de la fréquence. La par­tie entre 1mHz et 10mHz est dom­inée par le bruit brown­ien des molécules impac­tant les deux mass­es d’épreuve. À basse fréquence la mesure est lim­itée entre autres par le bruit élec­tron­ique du sys­tème capac­i­tif ain­si que par notre con­nais­sance des forces iner­tielles s’appliquant sur le satellite.

Exem­ple de tran­si­toires observés dans LISA PATHFINDER. Un mod­èle (en vert) est sous­trait aux don­nées (en bleu) afin de retrou­ver un résidu (en rouge) iden­tique au niveau de bruit habituel.

[ps2id id=‘videos’ target=”/]Un ensem­ble de vidéos com­plé­men­taires sur la mis­sion LISA PATHFINDER et la future mis­sion LISA.