Le laboratoire de recherche LPCCaen de l’université de Caen va jouer un rôle crucial dans la mission LISA de l’Agence Spatiale Européenne

Février 2024 – LISA est un projet spatial ambitieux de détection des ondes gravitationnelles depuis l’espace. Cette mission phare de l’Agence Spatiale Européenne, va entreprend l’exploration de l’Univers en observant les nombreuses sources d’ondes gravitationnelles émises* dans la bande du millihertz, telles que les binaires de trous noirs supermassifs** (2 trous noirs supermassifs en orbite l’un autour de l’autre). Cette mission révolutionnera les domaines de l’astrophysique, de la cosmologie et de la physique fondamentale. Le Comité des Programmes Scientifiques de l’Agence Spatiale Européenne (ESA) a récemment donné son feu vert à la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna), marquant une étape historique dans la recherche des ondes gravitationnelles depuis l’espace. Cette autorisation de l’ESA confirme que le concept et la technologie de LISA sont suffisamment avancés, et marque ainsi le début de la construction des instruments et des satellites. Le lancement est programmé pour 2035. LISA est le fruit d’une collaboration internationale étendue, regroupant de multiples nations européennes et les États-Unis La France a été un acteur majeur dans cette entreprise dès 2005 et le Laboratoire de Physique Corpusculaire de l’université de Caen (LPCCaen) a officiellement rejoint le projet en 2018. À ce jour, le LPCCaen a deux principales contributions avant la construction des instruments (satellites, etc…). Ces contributions concernent l’étude de la propagation des bruits instrumentaux dans les chaines d’analyses et de proposer des algorithmes rapides et agnostiques***.

« LISA est une entreprise qui n’a jamais été tentée auparavant. En utilisant des faisceaux laser sur des distances de plusieurs kilomètres, les instruments terrestres peuvent détecter des ondes gravitationnelles provenant d’événements impliquant des objets de la taille d’une étoile, tels que l’explosion d’une supernova ou la fusion d’étoiles hyperdenses et de trous noirs de masse stellaire. Pour repousser les limites des études gravitationnelles, nous devrons aller dans l’espace, ce qui nous permettra de découvrir des événements d’une autre ampleur, remontant jusqu’à l’aube des temps », explique Nora Lützgendorf, responsable scientifique du projet LISA.

« Depuis des siècles, nous étudions notre cosmos en captant la lumière. Le couplage avec la détection des ondes gravitationnelles apporte une dimension totalement nouvelle à notre perception de l’Univers », explique Oliver Jennrich, scientifique du projet LISA.

« Le LPCCaen, en contribuant à cette mission révolutionnaire, renforce l’héritage solide du programme spatial de l’ESA et participe à une avancée majeure dans la compréhension des lois physiques fondamentales de l’Univers et de son origine. Dans les études passées on avait la vision, aujourd’hui avec cette mission on aura l’ouïe. 95% de l’univers nous échappe, nous allons ainsi essayer de découvrir des objets bien plus grands que nous, de voir des galaxies qui tournent autour d’autres galaxies et révolutionner ainsi la compréhension de l’univers », analyse Yves Lemière enseignant-chercheur au Laboratoire de physique corpusculaire (LPC) de l’université de Caen et associé du projet LISA.

Comprendre l’univers

Grâce à l’énorme distance parcourue par les signaux laser de LISA et à la superbe stabilité de ses instruments, la mission sondera les ondes gravitationnelles à des fréquences plus basses que ce qui est possible sur Terre, ce qui permettra de découvrir des événements d’une autre ampleur, remontant jusqu’à l’aube des temps. Les bruits de fonds d’ondes gravitationnelles émises juste après le Big Bang seraient également détectables par LISA. Ainsi, la mission permettra de valider ce que des scientifiques comme Einstein avait supposé et de ce fait (mieux) comprendre l’univers et sa création.

En contribuant à la mesure du changement dans l’expansion de l’Univers avec une précision inégalée, LISA validera les résultats d’autres études, tout en détectant des événements d’une ampleur inédite, remontant aux débuts de l’Univers.

Les objectifs de la mission LISA

• LISA a de nombreux objectifs scientifiques qui sont :
• Etudier la formation et l’évolution des binaires d’étoiles compactes dans la Voie Lactée.
• Retracer l’origine, la croissance et l’histoire de la fusion des trous noirs supermassifs à travers les âges cosmiques.
• Sonder les propriétés et l’environnement immédiat des trous noirs dans l’Univers local avec les EMRIs et IMRIs .
• Comprendre l’astrophysique des trous noirs de masses stellaires.
• Explorer la nature fondamentale de la gravité et des trous noirs.
• Mesurer le taux d’expansion de l’Univers.
• Comprendre les fonds stochastiques et leurs implications pour l’Univers très jeune et la physique des particules à l’échelle du TeV
• Rechercher des sursauts d’ondes gravitationnelles et des sources inattendues

Le Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen reconnu internationalement

L’équipe du LPCCaen, fortement impliquée dans le modèle de performance de l’instrument, a développé une expertise clé dans la gestion des bruits instrumentaux et la chaîne de traitement du signal. Leur contribution, renforcée par l’arrivée de doctorants et de post-doctorants, a permis le développement d’algorithmes cruciaux pour l’analyse des données de cette mission.

La mission LISA constitue une étape majeure pour le laboratoire, ouvrant une nouvelle fenêtre vers l’Univers et confirmant le rôle prépondérant du LPCCaen dans cette entreprise scientifique d’envergure.

La mission LISA

La mission LISA se compose de trois satellites en orbite autour du Soleil, formant un triangle de 2.5 millions de kilomètres de côté. Ces satellites échangent des faisceaux laser pour détecter, par interférométrie, des variations de distance de l’ordre de la dizaine de picomètres, induites par les ondes gravitationnelles. Impliquée de manière significative dans le projet, l’IRFU contribue à l’instrument, à l’analyse des données, ainsi qu’à la science des sources. Elle supervise le simulateur de masses de référence, la structure stable pour les tests du cœur interférométrique, l’analyse des alertes, une contribution à l’analyse globale, et co-pilote le projet pour la France. L’IRFU se charge également de la préparation de l’exploitation scientifique, notamment des tests liés à la physique fondamentale, à l’étude de l’Univers primordial et aux champs magnétiques dans les systèmes binaires de naines blanches.

*Les ondes gravitationnelles sont des perturbations ou des fluctuations dans le tissu de l’espace-temps lui-même, provoquées par des événements astronomiques massifs et dynamiques. Conformément à la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein, les objets massifs, tels que des étoiles en collision ou des trous noirs en orbite, peuvent générer des ondes gravitationnelles lorsqu’ils subissent des accélérations importantes.

**Un trou noir supermassif est une région de l’espace où la gravité est tellement intense que rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper de son attraction. Ces objets massifs se trouvent généralement au centre des galaxies.

***Un algorithme agnostique est un calcul qui ne présuppose aucune connaissance sur le résultat attendu… Cela permet de rechercher des formes de signaux dont l’origine de la source est connue mais pour autant, il n’y a pas de biais lié à notre connaissance à l’instant du calcul sur la manière dont s’exprime cette source.