LisaPathFinder / LISA

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Lien vers l'ancien site web eLISA-APC

Lien vers le site web LISAFrance


Actualités

Membres de l'équipe

  • Gérard AUGER (Emerite CNRS)
  • Pierre BINETRUY (Prof. - Responsable LISA à l'APC- Membre du LISA consortium board) : Théorie
  • Eric Bréelle (IR) : R&D
  • Hubert HALLOIN (MCF - Physicien référent R&D) : R&D, DPC, LISAPathfinder 
  • Maude LEJEUNE (IR - Chef de projet DPC) : DPC
  • Antoine PETITEAU (MCF - PI France LISAPathfinder - Physicien référent DPC) : LISAPathfinder, simulation LISA, analyse de données LISA, DPC, R&D
  • Eric PLAGNOL (Emerite CNRS - Membre du LISA consortium board) : LISAPathfinder
  • Ed PORTER (CR CNRS) : Analyse de données, théorie
  • Pierre PRAT (IR - Chef de projet LISAPathfinder) : LISAPathfinder, R&D
  • Jean-Baptiste BAYLE (Doctorant) : Simulation LISA, LISAPathfinder, Analyse de données
  • Yann BOUFFANAIS (Doctorant) : Analyse de données
  • Cecile CAVET(CDD-IR) : DPC
  • Valerie DOMCKE (Post-doc) : Théorie
  • Henri INCHAUSPE (Post-doc) : LISAPathfinder, Simulation LISA
  • Matthieu LAPORTE (Doctorant) : R&D
  • Etienne MARIN-MATHOLAZ : DPC, R&D
  • Joseph MARTINO (CDD-IR) : LISAPathfinder - LISA
  • Mauro PIERONI (doctorant) : Théorie

LISA

Mission

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) est le projet répondant à la mission large L3 de l'ESA (Agence Spatiale Européenne). C'est un programme ESA avec une forte participation des institutions des pays Européen concernés et une contribution de la NASA.

LISA  est constitué d’une constellation de trois satellites en orbite autour du soleil.

Le passage d'une onde gravitationnelle se traduit, pour le détecteur LISA, par une modification des distances séparant les satellites. Alors que cette distance est en moyenne de quelques millions de kilomètres, la modification ne sera que de quelques picomètres (10-12 m). La fréquence de ces variations sera comprise entre 10-5 et 1 Hz. Il est à à noter qu'en raison des orbites suivies par les satellites, le triangle de eLISA n'a pas une forme fixe mais ses variations (de l'ordre de 50 000 km sur six mois) se font à une fréquence de l'année (10-7 Hz) et sont donc découplées du domaine fréquentiel de la mesure.

LISA repose sur trois défis technologiques :

  • La possibilité de conserver sur des trajectoires géodésiques les satellites protégés de toute influence externe,
  • La mesure précise, par interférométrie, de la position relative des satellites,
  • La diminution, par un facteur 108, des bruits des six lasers employés pour l'interférométrie.

Le premier point est assuré, par le contrôle permanent de la position relative des masses inertielles par rapport à leur satellite hôte. Ceci est effectué grâce à des micropropulseurs qui corrigent perpétuellement la trajectoire des satellites par rapport à cette masse, en compensant l'effet des forces externes (ex. vents solaires). LISAPathfinder a démontré l'efficatcité de cette technologie.

Une interférométrie de haute précision permet de répondre au deuxième point. Dans le cadre de eLISA, cette interférométrie ne peut pas être réalisée par un seul laser, mais par au moins six lasers (Nd-YAG) assurant les deux liens entre les satellites. Typiquement, et au niveau d'un satellite, deux mesures interférentielles seront effectuées entre les lasers locaux et les faisceaux provenant des autres satellites.

 

Science

Un grand nombre de sources émettent des ondes gravitationnelles dans la bande de fréquence de LISA :

  • trous noirs supermassifs (de 104 à 107 masses solaires) : la phase spiralante et la fusion seront observées avec des rapports signal sur bruit de 100 à 1000.
  • binaires galactiques formées de naines blanches et d'étoile à neutrons dont la masse solaire est typiqeuement celle du Soleil.
  • binaires à rapport de masse extrême (EMRI) : un petit objet compact de quelques dizaines de masse solaire orbitant autour d'un trou noir supermassif
  • binaires de trous noirs de quelques dizaines de masse solaire : ce type de source a été détecté par LIGO/Virgo (GW150914, GW151226, ...) et sera observable par LISA  des années avant la fusion.
  • fonds stochastiques émis lors des premiers instants de l'Univers
  • sursauts émis des recombinaison de cordes cosmiques

LISA ouvre une nouvelle fenêtre sur l'Univers. Les sources les plus intéressantes sont donc celles auxquelles on ne s'attend pas !

Les domaines scientifiques couvert par LISA sont donc :

  • la nature de la gravité (tester les bases de la relativité générale)
  • la nature fondamentale des trous noirs : existence d'un horizon, ...
  • les trous noirs comme source d'énergie,
  • la formation des structures dans l'Univers (non-linéaire):  premier objet, évolution hierachique, accrétion de gaz,
  • la fin de vie des étoiles massives,
  • la dynamique du coeur des galaxies,
  • l'Univers très jeune : la physique du Higgs au TeV (CERN), les défauts topologiques, ...
  • les modèles cosmologiques,
    ...

LISA à l'APC

Proto Data Processing Centre de LISA

A l'APC, nous construisons la future plateforme de traitement des données de la mission (DPC pour Data Processing Center), dont l'objectif est de faciliter l'analyse des quelques téraoctets de mesures enregistrées par les satellites.
Au delà de l'hébergement des données mesurées, cette infrastructure doit assurer la gestion des logiciels d'analyse, de leur évolution et de leur produits, et fournir une large gamme d'outils assurant l'accès à l'information au sens large (wiki, agenda, base documentaire, liste de diffusion, etc).
Afin d'assurer de bonnes performances des temps d'exécution de l'analyse des données de LISA, le DPC s'appuiera sur les technologies émergentes de virtualisation, permettant d'utiliser des ressources de calcul à la demande (type cloud-computing). Cette nouvelle voie devrait également faciliter la pérennisation des codes d'analyse, permettant de faire entrer la mission dans l'ère de la recherche reproductible.

Lien vers le site web du  Data Processing Centre de LISA: https://elisadpc.in2p3.fr/home

R & D


LISA Pathfinder

Mission

Vue d'artiste de LISA Pathfinder et de son
module de propulsion (crédit: ESA)

Pour relever les principaux défis technologiques de LISA,la mission de démonstration technologique LISAPathfinder (ESA/NASA) a été lancée le 3 décembre 2015. Elle a positionné sur une orbite autour du point de Lagrange L1 du système Terre-Soleil, à ( 1,5 millions de kilomètres de la Terre), deux masses inertielles distantes de 38cm dont la distance relative est mesurée avec une très haute précision par interférométrie laser hétérodyne. Ces deux petits cubes de 4cm de côté composés d’or et de platine « flottent » dans des enceintes cubiques espacées de 38 cm. Le satellite protège les cubes des influences extérieures en ajustant constamment sa position grâce à un système ultra-précis de micro-fusées. Les forces extérieures venant perturber le satellite, telles que le vent solaire, sont ainsi contrées. Les cubes restent centrés au cœur des cavités, en « chute libre », animés d’une orbite déterminée seulement par la gravité. La mesure de distance par interférométrie laser entre ces deux cubes permet d'évaluer le bruit d'accélération résiduelle entre les deux masses, autrement dit le niveau des forces perturbatrices qui n’ont pas pu être contrées.

Satellite LISA Pathfinder (crédit: ESA)

LISA Pathfinder est constitué de deux modules : le LTP (Lisa Technology Package), construit par l'ESA, et le DRS (Disturbance Reduction System) construit par la NASA.

Le LTP est constitué des masses-tests, du système d'électrodes autour des masses, des microfusées à gaz-froid, de l'interféromètre et d'un ordinateur de bord appelé DFACS

Les opérations scientifiques ont débuté le 1er mars 2016 et se déroulent depuis dans un environnement de grande stabilité. Cela permet, par exemple, des mesures d'une durée supérieure à une semaine sans intervention extérieure. L’équipe de LISAPathfinder effectue de nombreuses d'expériences afin de caractériser les sources de bruits résiduels

Tous les jours les données sont reçues et mises en forme par l'ESA pour ensuite être analysée par des scientifiques de différents laboratoires européens : AEI (Allemagne), IEEC (Espagne), APC (France), Trento (Italie) et Cardiff, Birmingham, Imperial College (UK). Ils utilisent un logiciel, appelé LTPDA, qui est constitué d'un ensemble d'outils facilitant la mise en place de chaines d'analyse avec un suivi d'historique complet des opérations effectuées. Afin de tester la validité des outils mis en place, des « STOC Exercises » ont été réalisés deux fois par an avant la mission.

Vue éclatée du LTP (Credit: ESA)

Lors de la phase d'opérations scientifiques de LISAPathfinder, une analyse journalière des données est effectuée à l'ESOC ("European Space Operation Center" , Darmstadt, Allemagne) par des équipes qui se relaient. Cette analyse dite "online" consiste à traiter les données dès leur arrivée par une série de procédures cadrées qui vérifient leur qualité, la présence d'éventuel problème et donnent les premiers résultats. En parallèle, des analyses "offline" sont effectuées par les centres délocalisés, comme le FACe à Paris qui en particulier est doté d’un support technique et de capacité de calculs (cluster, Cloud) que l’équipe LISAPathfinder utilise pleinement. Ces analyses détaillées permettent d'affiner les résultats et de comprendre au mieux le fonctionnement de l'instrument. Ainsi il est possible d'utiliser rapidement ces résultats pour ajuster le design de LISA et maximiser son retour scientifique.

 

Opérations de LISAPathfinder

  • 3/12/2015 : décollage depuis Kourou par la fusée Vega (vol VV06).
  • 22/01/2016 : arrivé sur l'orbite finale et séparation du module de propulsion
  • 17/12/2015 → 01/03/2016: commissioning : les industrielles ayant délivrés les différents sous-système vérifient leurs bons fonctionnement avec l'ESA et les scientifiques
  • 01/03/2016 → 27/06/2016: opérations nominales du LTP la partie européenne de LISAPathfinder constitué des masses-tests, du système d'électrodes autour des masses, des microfusées à gaz-froid, de l'interféromètre et d'un ordinateur de bord appelé DFACS
  • 27/06/2016 → 11/2016: opérations nominales du DRS la partie NASA de LISA Pathfinder consitué de micro-fusées à colloide et d'un ordinateur
  • 12/2016 → 31/05/2017: extension des opérations du  LTP

Résultats

Les premiers résultats de LISAPathfinder ont été publié le 7 juin 2016 dans Physical Review Letter (PRL.116.231101: Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observatories: LISA Pathfinder Results) Le système mesurant par interférométrie laser la distance entre les deux cubes est 100 fois plus performant que ce qui avait été atteint en laboratoire : il permet de mesurer une distance à 30 femto-mètres près (un dix-millième de la taille d’un atome).  L'accélération différentielle mesurée entre les deux masses test  à la fréquence de 1 milli-Hertz est de 5,5 fm.s-2 (fm.s-2 = femto-mètres par secondes carrées = 10-15 m.s-2) soit plus faible qu’un demi-milliardième de millionième de la gravité terrestre (9,6 m.s-2). Ces performances dépassent largement les exigences de LISAPathfinder de 30 fm.s-2. Elles sont très proches des performances souhaitées pour LISA, qui sont de 4.2 fm.s-2. Les forces perturbatrices résiduelles sur les masses de référence sont donc inférieures à 8 femto-Newton (10-15 Newton),  c'est-à-dire inférieures au poids d'une bactérie E. coli sur Terre  (1000 fois plus faible que le poids d'une cellule) qui aurait un mouvement oscillant d'une période de 1000 secondes. La différence entre les objectifs de LISAPathfinder et ceux de LISA est due au fait que le satellite LISAPathfinder n’attire pas les deux masses strictement de la même manière, contrairement à LISA où les masses sont dans 2 satellites séparés de millions de kilomètres.

LISAPathfinder à l'APC

Les 5 membres de l'équipe opérationnel de LISAPathfinder à l'APC travaille soit en "shift" à l'ESOC soit dans la "salle des opérations" du FACe. Ils sont spécialisés dans :

  • la vérification quotidienne du bon fonctionnement de l'unité d'injection laser,
  • la caractérisation des thrusters
  • la caractérisation des boucles de contrôle
  • le transfert des résultats de LISA Pathfinder à LISA grâce à l'expertise en simulation pour LISA du laboratoire
  • le suivi des effets de te,perqture sur le long terme.

Liens