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Le projet LISA comportera le vol en formation triangulaire (triangle de 5 millions de kilomètres de coté) de trois vaisseaux spatiaux autour du soleil, faisant de lui le plus grand instrument scientifique jamais mis en orbite. Les vaisseaux spatiaux qui suivront la Terre dans son orbite seront capables de mesurer leurs distances respectives avec précision. LISA devrait pouvoir détecter les trous noirs et les étoiles à neutron ainsi que les échos de Big Bang.
Depuis presque 100 ans, les scientifiques recherchent des preuves directes de l'existence de ces ondes dans le tissu du l'espace. Aujourd'hui, cette quête est devenue un effort mondial faisant participer des centaines de scientifiques. Un certain nombre de grands équipements au sol ont été développés en Europe, aux Etats-Unis et au Japon, mais la recherche la plus sophistiquée aura bientôt lieu dans l'espace.
On s'attend à ce que LISA fournisse la meilleure chance de succès dans la recherche de ces ondes de gravité de basse fréquence. Cependant, la mission est l'un des défis les plus complexes et les plus technologiques jamais entrepris. Selon la théorie d'Einstein, les ondes gravitationnelles sont provoquées par le mouvement de grandes masses (par exemple des étoiles à neutron ou des trous noirs) dans l'Univers. L'influence de la gravité entre des objets éloignés est modifiée lorsque ces masses se déplacent, de la même manière que des charges électriques en mouvement créent les ondes électromagnétiques que les antennes des postes de radio ou des téléviseurs peuvent détecter.
Pourquoi un détecteur spatial ?
Dans le cas d'une particule atomique très légère telle que l'électron, le mouvement peut être très rapide, et donc générer un large spectre de fréquences, y compris les effets que nous appelons la lumière et les rayons X. Comme les objets qui produisent des ondes gravitationnelles sont beaucoup plus grands et plus massifs que des électrons, les scientifiques comptent détecter des ondes de fréquence beaucoup plus basse avec des périodes s'étendant depuis quelques fractions de seconde jusqu'à plusieurs heures.
Mais ces ondes sont extrêmement ténues. Elles ne se dévoilent que comme des alternances de dilatation et de contraction de la distance entre des masses de test qui sont suspendues de telle manière qu'elles puissent se déplacer. Si deux masses d'essai étaient placées à un mètre de distance, les ondes ne se manifesteraient que par des modifications de l'ordre 10e-22 mètre, soit un dix millième de millionième de millionième de millionième de mètre.
Cette modification est si infime que l'effet de la gravité des objets locaux, le bruit des agitations sismiques de la Terre elle-même, sont un problème réel qui limite la sensibilité des détecteurs. Chaque mètre gagné sur la distance entre les masses de test augmente cette sensibilité. Par conséquent, des détecteurs d'ondes gravitationnelles doivent être aussi grands que possible.
Les détecteurs actuels au sol couvrent des distances de quelques kilomètres et devraient pouvoir mesurer les périodes de l'ordre de la milliseconde pour des objets en rotation rapide tels que des étoiles à neutron résultant d'explosions stellaires, ou des collisions entre des objets dans notre voisinage galactique local. Il y a, cependant, un grand intérêt à fabriquer des détecteurs pour rechercher les collisions entre les trous noirs massifs qui ont lieu pendant les fusions de galaxies entières (voir notre news). Ces événements violents produiraient des signaux avec des fréquences trop basses pour être observées par-dessus le bruit sismique aléatoire de la terre.
La réponse est d'aller dans l'espace, loin de telles perturbations. Dans le cas de LISA, les trois vaisseaux spatiaux voleront en formation à 5 millions de kilomètres de distance les uns des autres. Les rayons laser voyageant entre eux mesureront les modifications de distance provoquées par des ondes gravitationnelles avec une précision d'environ 10 picomètres (un cent millième de millionième de mètre). Comme les masses de test sur chaque vaisseau devront être protégées contre les diverses perturbations qui sont provoquées par les particules spatiales, elles devront flotter dans une chambre à vide. La précision exigée est 1000 fois supérieure à ce qui a jamais été réalisé dans l'espace auparavant. L'ESA prépare donc un vol d'essai du système de mesure par laser dans une mission appelée "LISA Pathfinder", dont le lancement est prévu en 2008.
Les scientifiques de l'Université de Birmingham, de l'Université de Glasgow et de du Collège Impérial de Londres préparent actuellement l'instrumentation de LISA Pathfinder en collaboration avec l'ESA et des scientifiques européens. Quand LISA sera opérationnel en orbite, les astronomes pourront observer l'Univers d'une façon nouvelle: au travers des ondes gravitationnelles. En plus des étoiles à neutron et des trous noirs massifs, il deviendra également possible de détecter les échos du Big Bang en étudiant les ondes gravitationnelles émises quelques minuscules fractions de seconde après cet événement.
Notes
Les trois vaisseaux de la mission LISA devraient être mis en orbite autour du Soleil en un seul lancement, chacun rejoignant après la séparation son poste de travail respectif.
Une fois l'existence des ondes avérée, une autre prédiction d'Einstein (les ondes gravitationnelles circulent à la vitesse de la lumière) pourra être également testée en comparant les temps d'arrivée sur le détecteur de la lumière et des ondes de gravité émises par une même source.