À un million de kilomètres de la Terre, un satellite de l'Agence spatiale européenne portant deux cubes flottants en alliage d'or et de platine a montré qu'il était possible de mesurer le mouvement à l'échelle d'un noyau atomique, ce qui pourrait révéler la nature de certains des objets les plus massifs de l'univers. .
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Baptisé LISA Pathfinder, le satellite est le banc d’essai de l’antenne spatiale à interféromètre à laser Evolved (eLISA). Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans un article de Physical Review Letters .
La mission eLISA consistera en trois satellites en orbite autour du soleil. L'un des engins spatiaux va tirer un laser vers les deux autres, décrivant une forme de L 621 000 miles sur un côté. Les lasers mesureront la distance entre les masses d’essai transportées par les sondes jusqu’à quelques trillions de milliard de mètres - plus petit que les atomes. La mesure précise permettra aux scientifiques d’observer les ondes gravitationnelles - des perturbations qui étendent l’espace lui-même - qui sont une conséquence de la théorie de la relativité générale d’Einstein. Cette onde passante changera la longueur d'un côté du L par rapport à l'autre et laissera les scientifiques voir la courbure réelle de l'espace.
"Dites si vous aviez une messe à New York et une à Turin [Italie]", déclare à Smithsonian.com Stefano Vitale, professeur de physique à l'université de Trento en Italie et principal investigateur de LISA Pathfinder. "Ils accélèrent tous les deux vers le centre de la Terre. Lorsqu'une onde gravitationnelle passe, ils commencent à tomber dans des directions légèrement différentes."
Mais il est difficile de suivre de si minuscules mouvements, a déclaré Fabio Favata, chef du bureau de coordination de la Direction des sciences de l'ESA lors d'une conférence de presse annonçant les résultats. C'est pourquoi LISA Pathfinder a été lancé. "Nous avons décidé d'apprendre à marcher avant de pouvoir courir", a-t-il déclaré. "C’est analogue au projet Gemini pour Apollo ... Nous n’avons pas seulement appris à marcher, mais à jogger plutôt bien."
Dans LISA Pathfinder, deux cubes de 1, 9 kilogramme d'un alliage d'or et de platine flottent à 14, 8 pouces l'un de l'autre. Un rayon laser est réfléchi par chaque cube et les lasers superposés mesurent leur mouvement les uns par rapport aux autres.
"Nous avons pris les millions de kilomètres de LISA et l'avons réduit à un seul vaisseau spatial", a déclaré Paul McNamara, scientifique du projet ESA pour LISA Pathfinder. LISA Pathfinder est trop petit pour mesurer les ondes gravitationnelles, mais il a été montré que les instruments pouvaient mesurer de très petits mouvements et qu'il était possible de créer un environnement sans perturbations de l'environnement extérieur.
Le LISA Pathfinder a montré qu’il pouvait capter le mouvement à l’échelle du femtomètre - un millionième de milliardième de mètre. C'était des ordres de grandeur meilleurs qu'ils ne l'avaient espéré, a déclaré Martin Hewitson, scientifique senior de LISA Pathfinder. "Nous voulions voir les mouvements d'échelle du picomètre", a-t-il déclaré. Un picomètre est 1000 fois plus grand qu'un femtomètre. "C'est plus de 100 fois meilleur que [observations] sur le terrain."
Des ondes gravitationnelles ont déjà été détectées. Les scientifiques travaillant à l'observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser (LIGO) ont annoncé en février qu'ils les avaient trouvés. Les vagues ont probablement été provoquées par la collision de deux trous noirs.
Mais LIGO est sur Terre, ce qui signifie qu'il ne peut pas voir les types d'ondes gravitationnelles qui pourraient être générés par d'autres phénomènes. Les tremblements de terre sur l’autre côté de la planète, le passage de camions et même la dilatation thermique de l’équipement peuvent noyer les signaux recherchés par LIGO. Un autre facteur est la taille. Tout détecteur au sol ne peut être si grand; LIGO, qui décrit également une forme en L, mesure 2, 5 km de côté et fait rebondir le laser entre les miroirs pour obtenir une longueur effective de 695 milles. C'est assez grand pour voir efficacement les ondes gravitationnelles avec des fréquences mesurées d'environ 100 Hz à 1 000 Hz, a déclaré Shane Larson, professeur associé de recherche à la Northwestern University et l'un des scientifiques qui ont travaillé sur LIGO. (Lorsque l'équipe LIGO a annoncé sa découverte, la fréquence la plus basse "entendue" était d'environ 35 Hz). Cela se traduit par des longueurs d'onde d'environ 300 000 à 8, 5 millions de mètres. (Les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière). Cela signifie qu'en plus des trous noirs qui entrent en collision, LIGO peut écouter les étoiles à neutrons lorsqu'elles tournent ou lorsqu'elles s'entrelacent en paires.
Cependant, eLISA sera en mesure de détecter les ondes gravitationnelles qui mettent plusieurs secondes à passer - environ 0, 0001 à 1 Hz, ce qui se traduit par des ondes gravitationnelles atteignant 3 milliards de kilomètres.
Larson a déclaré que la plage de fréquences permettait de détecter des objets et des phénomènes auxquels LIGO ne peut pas correspondre. "Nous pouvions voir des étoiles à neutrons qui gravitent autour l'une de l'autre, mais beaucoup plus tôt avant de se rapprocher", a-t-il déclaré. "Ou les étoiles naines blanches. Les nains blancs vont se contacter et se fusionner, mais ils le feront avant que LIGO puisse les voir." eLISA, cependant, va les chercher.
Vitale a ajouté qu'eLISA répondrait à quelques questions fondamentales sur les trous noirs et les centres galactiques. "Nous savons que chaque galaxie possède un trou noir de centaines de milliers à des milliards de masses solaires", a-t-il déclaré. "[eLISA] peut voir la collision de trous d’arrière de cette taille. Nous pouvons également voir un petit trou noir tomber dans un grand trou noir; cela envoie un signal qui permet une sorte de cartographie du champ de gravité autour du trou noir." La forme exacte de ces champs est une question ouverte importante en astrophysique. Cela pourrait même indiquer si les trous noirs ont réellement des horizons d’événement.
Larson a déclaré que le fait de voir les collisions de trous noirs plus grands pourrait également nous éclairer sur la façon dont les trous noirs au centre de la galaxie sont devenus si grands. "Nous voyons d'énormes trous noirs très tôt dans l'univers. Comment peuvent-ils devenir aussi gros? Rapidement? LISA peut les voir à la limite de l'univers observable."
Le lancement d'eLISA est prévu pour 2034 et devrait commencer à recueillir des données quelques mois seulement après son lancement.
