LISA PATHFINDER la maîtrise de l’instrument

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lisapathfinderLISA 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) joseph_martino

synoptique_lisapathfinder 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.

 

Vignette_specter_mesures_LISAPATH 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.

Un ensemble de vidéos complémentaires sur la mission LISA PATHFINDER et la future mission LISA.

Lancement du satellite LISA PATHFINDER  L’intérieur de LISA PATHFINDER
 La mission LISA  La fin de LISA PATHFINDER

 

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