Laser Interferometer Space Antenna

Les ondes gravitationnelles ou ondes de gravitation sont des oscillations de l'espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière dans le vide à grande distance de leur point de formation. Leur existence est prédite par Albert Einstein dans sa théorie de la relativité générale en 1916. Les déformations engendrées sont cependant si faibles que les ondes détectables ne sont produites que par des masses soumises à de très grandes accélérations.

Au contraire des ondes électromagnétiques, les ondes gravitationnelles interagissent peu avec la matière. Elles se déplacent sur de grandes distances cosmiques sans êtres perturbées. Il est donc possible en les observant d'obtenir des informations inédites sur l'Univers[1]. Notamment, elles peuvent permettre de mieux connaître les débuts de l'Univers, lors des 380 000 premières années après le Big Bang, à un moment où les ondes électromagnétiques, dont la lumière, ne circulent pas encore. Elles peuvent également fournir des données sur certains objets célestes comme les trous noirs, les étoiles à neutrons ou les supernovas[2].

Pour détecter les ondes gravitationnelles, les chercheurs utilisent la méthode de l'interférométrie. Des interféromètres terrestres tels que Virgo (construit à Cascina, près de Pise en Italie) ou LIGO (Livingstone et Hanford aux États-Unis), existent déjà depuis le début les années 2000 et sont opérationnels. D'autres sont en projet : GEO600 en Allemagne, AIGO en Australie et TAMA au Japon. Leur sensibilité est cependant limitée aux hautes fréquences (10 Hz-10 kHz) par le bruit sismique, leur longueur de bras, et par les gradients de champs gravitationnels à l'intérieur de la Terre.

La première observation directe d'ondes gravitationnelles est annoncée le 11 février 2016 par les laboratoires LIGO et Virgo. Le signal GW150914 est détecté le 14 septembre 2015 à 9 h 50 min 45 s TU sur les deux sites américains jumeaux LIGO. L'origine de ce signal est la coalescence (fusion) de deux trous noirs de 36 et 29 masses solaires, situés à plus d'un milliard d'années-lumière de la Terre[3] - [4]. Une seconde observation est faite le 26 décembre 2015, une troisième le 4 janvier 2017 et une quatrième le 14 août 2017. Ces découvertes sont récompensées par le Prix Nobel de physique en octobre 2017, décerné aux américains Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip Thorne, responsables de l'expérience LIGO[5].

Le 17 août 2017, la fusion de deux étoiles à neutrons est observée pour la première fois à la fois sous forme d'ondes gravitationnelles par les 3 interféromètres terrestres que sous forme lumineuse par 70 télescopes sur terre et en orbite. Cet événement signe réellement le début de l'astronomie gravitationnelle[6].

Les premiers travaux sur un dispositif spatial capable d'étudier les ondes gravitationnelles remontent à 1974. Une équipe de la NASA propose de construire un interféromètre de Michelson en forme de croix dont les bras font un kilomètre de long. Ce projet ambitieux est proposé en plein programme Apollo, cinq ans seulement après les premiers pas de l'Homme sur la Lune[7].

Le concept est approfondi les années suivantes, et en 1981, Peter Fender et James Faller, du Joint Institute for Laboratory Astrophysics (en) (JILA) de l'université du Colorado à Boulder, proposent la mission LAGOS (Laser Antenna for Gravitational-radiation Observation in Space) : trois satellites avec compensation de trainée sont placés en orbite héliocentrique à un million de kilomètres les uns des autres. Malgré son intérêt pour le projet, la NASA refuse le projet en raison d'un manque de financement[7] - [8] - [9].

En 1993, l'Agence spatiale européenne (ESA) émet un appel à propositions pour la troisième mission de classe moyenne (M3) du programme Horizon 2000. Deux projets de détection d'ondes gravitationnelles depuis l'espace lui sont proposés par des équipes internationales de chercheurs[8] - [9] :

• le projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna), mené par Karsten Danzmann de l'université Gottfried-Wilhelm-Leibniz de Hanovre, consiste en 4 satellites placés en orbite héliocentrique formant un interféromètre avec des bras de 5 millions de kilomètres. Il est conçu comme une collaboration entre l'ESA et la NASA ;
• le projet SAGITTARIUS, mené par R.W. Hellings du Jet Propulsion Laboratory (JPL), consiste en 6 satellites placés en orbite géocentrique formant un interféromètre avec des bras d'un million de kilomètres.

Face aux similitudes entre les deux propositions, l'Agence spatiale européenne décide de les rassembler dans une même étude d'évaluation qui doit statuer entre les deux options. Devant la faible différence de coût, il est décidé d'opter pour l'option héliocentrique qui offre plusieurs avantages : des longueurs de bras constantes et un environnement stable sans perturbations, notamment du rayonnement solaire[8] - [9].

Le projet LISA n'est finalement pas sélectionné en 1996 comme mission M3 par l'Agence spatiale européenne car son coût est bien supérieur au budget limite de la mission. Mais la Fundamental Physics Topical Team et le comité d'étude, conscients de son potentiel scientifique, recommandent d'en faire la troisième mission « pierre angulaire » du programme Horizon 2000+[8] - [9]. C'est la mission Planck (ex-COBRAS/SAMBA) dont le but est de cartographier les infimes variations de température du fond diffus cosmologique qui est retenue comme mission M3[13].

Au vu du coût important du projet LISA, les fonds nécessaires sont difficiles à réunir et le lancement ne peut pas avoir lieu avant 2017 voire 2023. Il y alors un risque que la NASA mette au point un projet similaire et le lance avant l'Agence spatiale européenne. Alors, de 1996 à 1997, l'équipe scientifique de LISA divise le coût du projet quasiment par deux en réduisant le nombre de satellites ainsi que leur taille. En février 1997, elle propose avec le Fundamental Physics Advisory Group (FPAG) de collaborer avec la NASA[9].

En janvier 1997, une équipe du Jet Propulsion Laboratory (JPL) travaille déjà avec l'équipe scientifique de LISA sur un projet estimé à 465 millions de dollars américains : trois satellites espacés de 5 millions de kilomètres formant un triangle équilatéral et envoyés par un lanceur Delta II. Cette nouvelle mission LISA est présentée au Structure and Evolution of the Universe Subcommittee (SEUS) de la NASA en mars. Si la mission n'est pas immédiatement adoptée pour un lancement entre 2000 et 2004, elle est sélectionnée dans le cadre du Technology Development Roadmap for the Structure and Evolution of the Universe Theme. En juin de la même année, le projet LISA se voit doté d'un bureau au JPL sous la direction de W.M. Folkner. En décembre, une équipe nommée LISA Mission Definition Advisory Team est formée avec 36 scientifiques américains et la participation de l'équipe de l'ESA[9].

En août 2004, un accord entre l'ESA et la NASA répartit les responsabilités. La NASA s'occupe de la fourniture des trois satellites et du lanceur, du contrôle des opérations, et de l'utilisation du Deep Space Network. L'ESA fournit la charge utile et les trois propulseurs[8].

Mais en mars 2011, l'Agence spatiale européenne (ESA) et la NASA annoncent la fin de leur collaboration. En raison de coupes budgétaires et de la dérive du coût du télescope spatial James-Webb, la NASA ne peut plus financer qu'une seule mission majeure et le Planetary Science Decadal Survey a jugé plus important le projet Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) consacré à l'étude de l'énergie noire[14] - [15] - [16].

Avec le départ de la NASA, L'Agence spatiale européenne doit alors reconsidérer la mission dans un contexte uniquement européen. Pour atteindre un budget plus raisonnable, elle revoit à la baisse ses caractéristiques : un interféromètre placé sur une orbite différente avec deux bras d'une longueur d'un million de kilomètres pour une durée de mission de seulement deux ans. Ces changements ont pour conséquences une baisse de la sensibilité de l'interféromètre[17] - [18].

Le projet, renommé New Gravitational wave Observatory (NGO)[19], se voit proposé comme mission L1 du programme Cosmic Vision. Mais si sa valeur scientifique est reconnue, le Comité du programme scientifique choisit en mai 2012 la mission de la sonde spatiale JUICE qui doit survoler les lunes de Jupiter[20] - [21].

En mars 2013, l'Agence spatiale européenne lance un appel à proposition pour les futures missions lourdes L2 et L3 du programme Cosmic Vision. En novembre, elle précise que la mission L2 est dédiée à l'univers chaud et énergétique, et la mission L3 à l'univers gravitationnel[22]. Le thème de cette dernière correspond à l'objectif du projet NGO, désormais nommé eLISA (Evolved LISA)[23] - [16] - [17].

Le démonstrateur technologique LISA Pathfinder chargé de valider les technologies utilisées dans LISA est lancé le 3 décembre 2015 à 4 h 04 TU par le lanceur européen Vega depuis la base de lancement de Kourou[24]. Le satellite atteint le 22 janvier 2016 sa position finale, au point de Lagrange L₁, à 1,5 million de kilomètres de la Terre en direction du Soleil. Il commence sa mission scientifique en mars 2016 pour une durée de six mois. Mais après seulement deux mois d'opérations, la mission s'avère être un succès : non seulement les technologies testées sont validées, mais les performances du démonstrateur sont cinq fois supérieures au cahier des charges[25] - [26].

Après le succès de la mission LISA Pathfinder et surtout la première observation directe d'ondes gravitationnelles le 14 septembre 2015, la NASA décide à l'été 2016 de rejoindre le projet qui reprend le nom de LISA[27] - [28]. Les équipes scientifiques du projet peuvent alors revoir leurs ambitions scientifiques à la hausse.

En octobre 2016, l'Agence spatiale européenne (ESA) ouvre le processus de sélection de la mission large L3 du programme Cosmic Vision dont le lancement est prévu en 2034[29]. Le 13 janvier 2017, le projet LISA est proposé à l'ESA pour cette mission[30]. Il consiste désormais en un interféromètre à trois bras d'une longueur de 2,5 millions de kilomètres chacun. Six lasers relient les trois satellites placés triangulairement sur une orbite héliocentrique à une distance d'environ 50 millions de kilomètres de la Terre. Le coût de cette mission de quatre ans est estimé à un milliard d'euros au total avec une participation attendue de 20 % de la NASA[31]. Le 20 juin 2017, le Science Programme Committee de l'ESA choisit sans surprise le projet LISA comme mission large L3[32] - [33].

Lors de la ministérielle de l'ESA de 2019, le budget alloué à la mission dépassa les attentes, la date de lancement put ainsi passer de 2034 à 2032.

• Onde gravitationnelle.
• Astronomie gravitationnelle.
• LISA Pathfinder, satellite destiné à mettre au point les instruments de mesure utilisés par eLISA/NGO.

• (en) Site de la mission LISA.