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Le puzzle cosmique d’Einstein en cours de montage

LISA Pathfinder devrait permettre de capter l’une des forces les plus insaisissables de l’espace : les ondes gravitationnelle.

Les tests sur deux des aspects clés de la mission LISA Pathfinder se sont achevés avec succès fin 2011, avec le maintien d’un environnement ultra-stable à bord du satellite et une précision de mesure extrême de ses instruments. Cette mission, pour laquelle Airbus Defence and Space assure la maîtrise d’œuvre du satellite, devrait permettre de capter l’une des forces les plus insaisissables de l’espace : les ondes gravitationnelle.

« Le nombre de choses que nous avons dû apprendre pour la toute première fois est tout simplement colossal. La modélisation gravitationnelle atteignait par exemple un niveau de détail sans précédent, qui nous a obligé à développer un caisson magnétiquement blindé pour réaliser les mesures de bruit magnétique », raconte Neil Dunbar, responsable de l’ingénierie du satellite LISA Pathfinder chez Airbus Defence and Space Stevenage. Inédit à bien des égards, ce satellite devrait être lancé en 2014 pour tester les technologies qui seront nécessaires à une mission future plus importante, baptisée NGO (New Gravitational wave Observatory).

Le boîtier abritant les électrodes est un cube d’environ 70 mm de côté, qui contiendra une masse étalon en or-platine désignée LISA Technology Package (LTP), avec un jeu de seulement 4 mm. Ce jeu permettra à cette masse « inerte » de flotter à l’intérieur du boîtier lorsque LISA Pathfinder sera dans l’espace. (© ESA)NGO est candidat pour la prochaine génération des missions Cosmic Vision de l’ESA, dont le lancement est prévu au tournant de la prochaine décennie. Son objectif : détecter les ondes gravitationnelles, à savoir les fluctuations dans le tissu d’espace-temps, à l’aide de l’interférométrie laser pour mesurer la distance entre des cubes « flottant » librement à l’intérieur de trois satellites, évoluant à équidistance d’un million de kilomètres les uns des autres. Dans des conditions spatiales idéales, les cubes sont censés copier mutuellement leurs mouvements avec une exactitude parfaite. Or, selon la théorie de la relativité générale d’Einstein, si une onde gravitationnelle traverse l’espace, il est alors possible de détecter une infime distorsion du tissu de l’espace lui-même.

Les trois satellites de la constellation triangulaire comprendront chacun deux cubes, ou masses étalons. Cette mission cherche à répondre aux questions relatives aux lois physiques de l’univers, en captant des signaux de trous noirs massifs, des binaires d’étoiles compactes dans la Voie lactée et, peut-être même, les premiers échos du Big Bang. Avec LISA Pathfinder, un seul satellite équipé de deux masses étalons sera realisé pour valider la technologie nécessaire à la mission NGO. « C’est le programme le plus exaltant de ma carrière », déclare Ian Honstvet, Directeur du projet LISA Pathfinder, également basé à Stevenage.

Le premier défi d’une mission aussi complexe consiste à établir un environnement suffisamment stable dans l’espace pour prémunir les masses étalons de toute influence extérieure, autre que les ondes gravitationnelles, et leur permettre de décrire une parfaite trajectoire de chute libre gravitationnelle. De ce fait, le satellite est actuellement fabriqué autour des masses étalons, à savoir des cubes en or-platine de 46 mm de côté, suspendus de manière électrostatique à l’intérieur d’un boîtier, qui est lui-même placé dans un caisson sous vide, intégré au sous-système du banc optique.

Le cœur de LISA Pathfinder, conçu par l’équipe LISA Test Package Architect à Friedrichshafen. Le modèle structural du LCA est ici montré par dessus, car il est intégré à l’intérieur de structure de support cylindrique du véhicule.

Le cœur de LISA Pathfinder, conçu par l’équipe LISA Test Package Architect à Friedrichshafen. Le modèle structural du LCA est ici montré par dessus, car il est intégré à l’intérieur de structure de support cylindrique du véhicule.

Des développements ultra complexes

« Le matériau de fabrication des cubes est hautement réflecteur, très peu sujet à la magnétisation, et extrêmement conducteur, de sorte que les cubes n’accumulent pas de gradients de température, ni de poches de charge », explique Neil Dunbar. « L’inconvénient est que leur structure est fragile. Si cela ne pose pas vraiment de problème une fois qu’ils flotteront librement dans leur enceinte, ils pourraient en revanche être endommagés lors du lancement. C’est pourquoi ils doivent être maintenus en place à l’intérieur de leur logement à l’aide de huit pattes qui seront retirées une fois le satellite totalement mis à poste. « Cette libération sera extrêmement délicate et le développement du mécanisme de conditionnement destiné à maintenir les masses stables, puis à les ‘lâcher’ en douceur a été particulièrement complexe pour l’équipe Instrumentation de Friedrichshafen », ajoute Neil Dunbar.

Bien qu’une chute libre gravitationnelle réelle ne puisse être vérifiée que dans l’espace, les tests de niveau système réalisés à Ottobrunn en 2011 ont confirmé que les principales composantes du satellite étaient « bon de vol ». Ces tests ont couvert leur tenue en vibration et au choc, leur compatibilité électromagnétique (CEM) et leur comportement lors d’essais de vide thermique. Des exigences critiques comme la reproduction d’un environnement thermique exceptionnellement stable et d’un environnement magnétique et EMC extrêmement propre ont déjà été testées au banc avec succès.

Tests sous vide à Ottobrunn en octobre 2011

Tests sous vide à Ottobrunn en octobre 2011

Mesure dans le domaine du quantum

Les tests de niveau système menés à Ottobrunn l’année dernière ont permis de vérifier le deuxième aspect critique de la mission : l’extrême précision des mesures requise pour étudier les ondes gravitationnelles. La mission finale mesurera des ondes basse fréquence avec une résolution de 10 picomètres, soit une variation relative de distance de 10-21. La précision du sous-système métrologique optique a été mesurée lors d’essais de simulation thermique à l’aide de miroirs, en lieu et place des masses étalons. A l’automne dernier, une résolution incroyable de 2 picomètres a été obtenue, soit bien au-delà des meilleures performances réalisées par un instrument de ce type.

Grâce à la persévérance des équipes Satellite et Instrumentation, ces tests ont également qualifié la majorité des systèmes embarqués aux contraintes mécaniques et électromagnétiques qu’ils subiront pendant le lancement, ainsi qu’aux températures extrêmes rencontrées lors des phases opérationnelles consécutives au lancement.

Neil Dunbar et Ian Honstvet insistent sur le fait qu’un long travail est encore nécessaire pour finir de mettre au point LISA Pathfinder. Le sous-système de micro-propulsion est par exemple toujours en développement. De plus, même après le lancement de cette mission nominale de six mois, les équipes de conception devront continuer de s’affairer. « C’est en effet lors des tests réalisés dans l’espace que les performances réelles de cette mission de démonstration pourront être mesurées, et la viabilité de la future mission NGO décidée ou non », conclut Ian Honstvet.

 

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