LISA – Laser Interferometer Space Antenna

LISA - Laser Interferometer Space Antenna

Un détecteur spatial pour un nouveau messager, les ondes gravitationnelles

L’astronomie moderne sera l’astronomie gravitationnelle !

C’est un siècle après la prédiction d’Albert Einstein que le 14 septembre 2015, avec l’annonce
de la première détection directe d’ondes gravitationnelles, les physiciens du monde
entier ont vu le champs des possibles s’agrandir largement.

L’astronomie traditionnelle est née avec l’observation dans le domaine visible
puis les ondes radio, X et gamma. Toutefois, les objets massifs de l’univers ne sont pas
nécessairement brillants au sens électro-magnétique du terme.
Aujourd’hui avec les ondes gravitationnelles, l’information issue de ces objets,
est enregistrée par les détecteurs terrestres et demain le sera par des détecteurs spatiaux.

Cette rencontre sera l’occasion de faire connaître ce ‘nouveau’ domaine de la physique pour le LPCCaen.
Étant membre du consortium LISA depuis 2018, nous porterons une attention particulière à la présentation de l’interféromètre spatial : LISA (Laser Interferometer Space Antenna)

Yves Lemière

(Normandie Univ, ENSICAEN, UNICAEN, CNRS/IN2P3, LPC Caen, 14000 Caen, France)
Diagramme des phases de la matière nucléaire dans le plan densité-température. La phase liquide se trouve à droite pour les densités les plus élevées et la phase gazeuse à gauche. La zone en bleu définit la zone de coexistence entre la phase liquide et gaz.

LISA Laser Interferometer Space Antenna

RECHERCHE

Particules et interactions fondamentales

LISA

Laser Interferometer Space Antenna

Le projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna) est une mission spatiale internationale qui a pour objectif la détection des ondes gravitationnelles émises par les évènements les plus violents de l’Univers tel la coalescence des trous noirs supermassifs et autres astres compacts. La mesure du signal gravitationnel des systèmes binaires permettra de tester les théories fondamentales de la Gravitation et de la relativité générale.
Depuis les succès des détecteurs terrestres LIGO/VIRGO avec la découverte des premiers signaux gravitationnels (fusion de deux trous noirs : GW150914), la communauté scientifique est d’autant plus convaincue de s’affranchir des bruits terrestres. C’est ainsi qu’avec 3 interféromètres de 2,5 millions de km, LISA pourra mesurer des ondes gravitationnelles dans la gamme des basses fréquences (10^-4 Hz-10^-1 Hz). La gamme de sensibilité de LISA permettra d’observer les coaslescences d’objets massifs jusqu’au confin de l’Univers ainsi que les phases spiralantes des étoiles à neutrons des années avant la détection de leur fusion par les détecteurs terrestres.

Le détecteur

L’objectif de ce détecteur sera de mesurer des variations de distances de 10 picomètres (1 picomètre = 10-12 mètres) entre deux masses de références distantes de quelques millions de kilomètres. Pour atteindre une telle performance, LISA comprend trois satellites en orbites héliocentriques formant la constellation en formation triangulaire stable (longueur des cotés constante au premier ordre) avec une période de 1 an et suivant l’orbite de la Terre. Installé au sein des satellites, les masses de références suivent des trajectoires en chute libre dans l’axe inter-satellite. Les contraintes subies par les satellites (vents solaires) sont compensées en permance pour protéger ces masses de référence.
Chaque satellite transporte 2 cubes de références (test mass) ainsi que les bancs optiques et les lasers (1064 nm) permettant de faire une interférence entre le faisceau envoyé et le faisceau reçu.

À la différence d’un Michelson, dans LISA, le faisceau laser n’est pas réfléchi pour interférer avec un faisceau issu du même laser. En conséquence de la grande distance inter-satellite, la puissance lumineuse reçue est de l’ordre du picoW. Il n’est donc pas envisageable de renvoyer ce faisceau vers le satellite émetteur. C’est donc avec un algorithme numérique que les faisceaux lasers sont combinés pour réaliser des interféromètres numériques.

l'interférométrie numérique (Time Delay Interferometry)

La signature des ondes gravitationnelles se détecte dans les décalages Doppler (de fréquence) entre la lumière arrivant d’un banc optique distant et le laser local correspondant. La combinaison des 6 flux de données avec des retards bien choisis permet de supprimer une partie des bruits (bruit laser, bruit d’agitation translationnelle…) tout en gardant le signal gravitationnel. Le calcul de l’interféromètrie numérique correspondant au calcul d’une partie de ces combinaisons, ce qui sera nommé le TDI (Time Delay Interferometry).

Le consortium LISA

Le consortium est constitué des scientifiques ayant participé aux projets terrestres de détection des ondes gravitationnelles Virgo, LIGO, GEO, de ceux ayant contribué à la réussite de la mission de démonstration technologique LISA Pathfinder ainsi que de physiciens issus de la communauté de la physique des particules. Le Consortium a soumis un document « White Paper » intitulé The Gravitational Universe qui a été validée par l’ESA en 2017. LISA a été sélectionné pour être la troisième Mission Classe L (Large Class Mission) avant une adoption en 2023 et un lancement en 2034. Ce consortium se réunit régulièrement plusieurs fois par an, l’agenda des réunions et des informations plus détaillées se trouvent sur le site https://www.elisascience.org/

 

LISA au LPCCaen

Le LPCCaen est membre à part entière du consortium LISA depuis 2018. L’équipe est constituée de physiciens issus de la communauté de la physique des neutrinos. L’équipe s’est engagée dans le groupe de traitement des données (Lisa Data Processing Group — LDPG) et plus particulièrement dans les groupes de travail WG2 (software design and architecture) et WG6 (réduction initiale des bruits de fonds — INREP). L’étape suivante sera de contribuer aux algorithmes d’analyses des données.

En savoir plus

  • Conférences de l'IAP
  • Les premiers pas de l’astronomie gravitationnelle
  • Alertes des dernières détections d'ondes gravitationnelles
  • LIGO
  • VIRGO
  • KAGRA Observatory
  • EINSTEIN TELESCOPE

Copyright ESA

Diagramme des phases de la matière nucléaire dans le plan densité-température. La phase liquide se trouve à droite pour les densités les plus élevées et la phase gazeuse à gauche. La zone en bleu définit la zone de coexistence entre la phase liquide et gaz.

LISA Laser Interferometer Space Antenna

RESEARCH

Particles and fundamental interactions

LISA

Laser Interferometer Space Antenna

The LISA (Laser Interferometer Space Antenna) project is an international space mission that aims to detect gravitational waves emitted by the most violent events in the Universe such as the coalescence of supermassive black holes and other compact stars. The measurement of the gravitational signal of binary systems will allow to test the fundamental theories of Gravitation and General Relativity.
Since the success of the LIGO/VIRGO ground-based detectors with the discovery of the first gravitational signals (merger of two black holes: GW150914), the scientific community is all the more convinced of the need to get rid of terrestrial noise. Thus, with 3 interferometers of 2.5 million km, LISA will be able to measure gravitational waves in the low frequency range (10^-4 Hz-10^-1 Hz). The sensitivity range of LISA will allow to observe the coaslescences of massive objects up to the edge of the Universe as well as the spiral phases of neutron stars years before their fusion is detected by terrestrial detectors.

The detector

The objective of this detector will be to measure variations in distance of 10 picometers (1 picometer = 10-12 meters) between two reference masses a few million kilometers apart. To achieve such a performance, LISA includes three satellites in heliocentric orbits forming the constellation in a stable triangular formation (constant side length to first order) with a period of 1 year and following the orbit of the Earth. Installed within the satellites, the reference masses follow free fall trajectories in the inter-satellite axis. The constraints undergone by the satellites (solar winds) are compensated for at all times to protect these reference masses.
Each satellite carries 2 reference cubes (test mass) as well as optical benches and lasers (1064 nm) allowing to make an interference between the sent beam and the received beam.

Unlike a Michelson, in LISA, the laser beam is not reflected to interfere with a beam from the same laser. As a consequence of the large inter-satellite distance, the received light power is of the order of picoW. It is therefore not possible to send this beam back to the transmitting satellite. It is therefore with a digital algorithm that the laser beams are combined to achieve digital interferometers.

Digital interferometry (Time Delay Interferometry)

The signature of gravitational waves is detected in the Doppler shifts (of frequency) between the light arriving from a distant optical bench and the corresponding local laser. The combination of the 6 data streams with well chosen delays allows to remove part of the noise (laser noise, translational noise…) while keeping the gravitational signal. The calculation of the digital interferometry corresponding to the calculation of a part of these combinations, which will be called the TDI (Time Delay Interferometry).

Since the dawn of time, man has been observing the sky, for fear, pleasure, to orient himself or to understand his environment. Until very recently, this observation of the Universe was essentially done thanks to photons over a very wide range of frequencies. These photons are neutral particles and are therefore not deviated by the magnetic fields that prevail in and between galaxies to the far reaches of the Universe. This advantage allows them to probe point objects in the Cosmos. Thus, many photographs and/or maps of the sky have been obtained in wavelength ranges from radio waves to gamma rays, passing through the optical domain or X-rays.

The consortium LISA

The Consortium consists of scientists who participated in the ground-based gravitational wave detection projects Virgo, LIGO, GEO, those who contributed to the success of the LISA Pathfinder technology demonstration mission, and physicists from the particle physics community. The Consortium submitted a « White Paper » entitled The Gravitational Universe that was validated by ESA in 2017. LISA has been selected to be the third Large Class Mission before adoption in 2023 and launch in 2034. This consortium meets regularly several times a year, the agenda of the meetings and more detailed information can be found at https://www.elisascience.org/

LISA at LPCCaen

The LPCCaen is a full member of the LISA consortium since 2018. The team consists of physicists from the neutrino physics community. The team is involved in the Lisa Data Processing Group (LDPG) and more specifically in the WG2 (software design and architecture) and WG6 (initial noise reduction — INREP) working groups. The next step will be to contribute to the data analysis algorithms.

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  • Les premiers pas de l’astronomie gravitationnelle
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