est un satellite artificiel de l'Agence spatiale européenne qui doit permettre de valider les technologies qui sont retenues pour le projet LISA. Ce dernier a pour objectif d'effectuer des observations des ondes gravitationnelles en utilisant une grappe de mettant en œuvre des techniques de mesure par interférométrie laser. Le rôle de est de valider les dispositifs techniques permettant de mesurer les ondes gravitationnelles : accéléromètres capacitifs, micropropulseurs, interféromètre laser de précision, logiciel de compensation de traînée.

La charge utile comprend deux sous-ensembles : le LPT formé de deux masses étalons en chute libre avec un système de mesure de très grande précision et le fourni par la NASA, qui constitue un système de micropropulsion capable de compenser l'ensemble des forces s'exerçant sur le satellite.

est lancé le par un lanceur Vega et se place en orbite autour du en avant d'entamer sa mission d'une durée initiale de six mois. La mission, qui s'achève le , est un succès complet. Le dispositif testé est parvenu à limiter l'accélération relative des masses témoins à dix millionièmes de milliardième soit deux ordres de grandeur de mieux que les objectifs fixés. Cette réussite technique ouvre la voie au satellite opérationnel LISA dont le développement est confirmé à l'issue de la mission et dont le lancement est prévu en 2034.

Contexte

Ondes gravitationnelles

Nouvelle fenêtre sur l'Univers Les ondes gravitationnelles se déplacent à la vitesse de la lumière sans être perturbées par la matière car elles interagissent peu avec celle-ci contrairement aux ondes électromagnétiques. À ce titre elles fournissent des informations inédites sur les objets massifs comme les trous noirs. Les ondes gravitationnelles peuvent également fournir des données sur les débuts de l'UniversÂges sombres = années de l'Univers. inobservables avec les instruments classiques car aucun processus astrophysique ne produit de rayonnement électromagnétique durant cette période. En s'appuyant sur les modèles théoriques de l'Univers et sur les observations électromagnétiques effectuées, les scientifiques estiment que les ondes gravitationnelles les plus intéressantes à observer se concentrent essentiellement dans les fréquences comprises entre 10 et : l'observation de cette bande de fréquences permet de tester les théories relatives à l'évolution de l'Univers jusqu'à un décalage vers le rouge de 20 (premières étoiles formées après le ), de vérifier les modèles relatifs à la gravité dans des champs gravitationnels forts et d'observer les débuts de l'Univers mettant en œuvre des énergies de l'ordre du TeV ..

Mission LISA

Historique Les premiers travaux sur un satellite capable d'étudier les ondes gravitationnelles remontent à 1993 lorsque les chercheurs américains et européens établissent le cahier des charges de la mission spatiale LISA avec l'appui de l'Agence spatiale européenne et de la NASA. Les deux agences financent de 2000 à 2011 des recherches sur les technologies nécessaires pour réaliser cette mission. Les deux agences décident de développer une mission conjointe. En 1998, un démonstrateur technologique est proposé sous l'appellation ELITE (). Ce projet est affiné et proposé en 2000 en réponse à l'appel à propositions de l'ESA, SMART-2. Il s'agit de mettre au point des technologies utilisées à la fois par les futures missions LISA (chute libre) et Darwin (vol en formation de plusieurs satellites). La mission, qui comporte deux satellites, doit emporter trois charges utiles : deux préparent LISA et sont fournies respectivement par chaque agence, tandis que la troisième prépare Darwin. La mission est approuvée en 2000 mais après une étude par les industriels, ses ambitions sont révisées à la baisse : elle ne comporte plus qu'un seul satellite et deux charges utiles : (LTP) fournie par l’ et (DRS) fournie par la . Le comprend initialement des capteurs inertiels et un système de mesure par laser qui sont abandonnés pour des raisons de coût par la suite. Le lancement du satellite, rebaptisé , est programmé pour 2011 ..

Construction du satellite et des équipements La construction du satellite est réalisée par une quarantaine de sociétés et instituts de recherche répartis dans 14 pays avec comme chef de file et intégrateur la filiale anglaise de . Le coût s'élève à d'euros en excluant les participations nationales et la contribution de la .. Des difficultés de mise au point repoussent le lancement à 2015.

Principes de fonctionnement Pour parvenir à mesurer les ondes gravitationnelles il faut que le système de mesure utilisé ne soit influencé que par la gravité et que toutes les autres forces soient écartées. Ainsi l'objectif de la mission est de démontrer qu'on peut protéger deux cubes métalliques situés au cœur d'un satellite de toutes les forces internes et externes. Ceci impose que le satellite suive une trajectoire avec une précision de l'ordre de quelques nanomètres et que le système de mesure permette de détecter la position des cubes métallique avec une précision de l'ordre du picomètre. Les deux cubes sont en chute libre au sein du satellite sans contact avec le reste du satellite et leur distance respective est mesurée à l'aide d'un interféromètre laser. Dans ces conditions les cubes en chute libre ne sont influencés que par la gravité et leur déplacement respectif ne reflète plus que les variations de celles-ci dont les ondes gravitationnelles ..

Pour pouvoir maintenir les cubes en chute libre il faut d'abord compenser les forces externes qui modifient la trajectoire du satellite. La force principale est la pression de rayonnement exercée par les photons solaires sur le corps du satellite. Les forces internes sont d'origine magnétique, électrique mais également liées à la gravité générées par le satellite lui-même. Pour réduire les forces magnétiques pouvant s'exercer sur les cubes, tous les matériaux magnétiques sont exclus de la construction du satellite. Les aimants utilisés par les lasers et les propulseurs sont de très petite taille et sont positionnés à l'extérieur de l'enceinte externe du satellite. Le matériau utilisé pour réaliser les cubes, un alliage de platine et d'or, est choisi parce que leur susceptibilité magnétique est réduite. Pour réduire l'attraction gravitationnelle du satellite sur les cubes, le satellite est construit de manière que les forces de gravité que génèrent ses composants s'équilibrent au niveau des cubes. La position d'un composant situé à un mètre des cubes doit être déterminée au millimètre près tandis que les composants les plus proches des cubes doivent être déterminés avec une précision de l'ordre du de mètre. Des petites masselottes sont placés après l'assemblage du satellite pour répondre à ces contraintes ..

Objectifs doit valider le système de pilotage à traînée compensée, dont la performance attendue est de et qui ne peut être testé sur Terre du fait de la gravité. Le satellite doit . : démontrer qu'une masse d'épreuve peut être placée en chute libre ; valider le fonctionnement de l'interféromètre laser avec un miroir en chute libre ; vérifier la fiabilité dans la durée des micropropulseurs, des lasers et de l'optique dans l'environnement spatial.

Caractéristiques techniques

a une masse de . Il comprend d'une part le satellite scientifique proprement dit dont la masse est de d'autre part un module de propulsion disposant de d'ergols liquides chargé de placer sur son orbite de travail près du . La face supérieure du satellite scientifique est recouvertes de de de type arséniure de gallium triple jonction représentant une superficie de . Ce panneau fournit en fin de mission. Le module de propulsion est haut de pour un diamètre de . Sa masse est de lorsque les ergols sont chargés dans ses quatre réservoirs. Le propulseur principal a une poussée modulable allant de et brûle un mélange hypergolique d'UDMH et de peroxyde d'azote..

Charge utile Le satellite embarque deux expériences . : le LTP () contient deux masses d'épreuve de réalisés dans un alliage d'or et de platine et ayant la forme de cubes de de côté : ceux-ci doivent servir à la fois de miroir pour l'interféromètre et de référentiel inertiel pour le système de contrôle de position. Le est un modèle réduit de l'interféromètre eLISA : alors que la distance entre miroirs sera de de kilomètres pour LISA, elle est de sur ; le DRS () est un système de contrôle de position développé par la , chargé de compenser toutes les forces autres que la gravité s'exerçant sur le satellite (comme la pression de rayonnement). Il utilise des micropropulseurs ioniques à poussée continue (FEEP pour ) pour maintenir le satellite centré autour d'un point de référence en chute libre.

Déroulement de la mission

est lancé le par le lanceur européen Vega tirée depuis la base de lancement de Kourou . et placé initialement sur une orbite terrestre basse elliptique de avec une inclinaison de 5,3° . ..

Transit, mise à poste et recette En utilisant ses propres moteurs, qui fournissent un delta-v total de , accroît progressivement l'altitude de son apogée à quinze reprises. Au bout de , il échappe à l'attraction de la Terre. Le satellite se dirige alors vers le du système Soleil-Terre, à de kilomètres de la Terre qu'il atteint le . Il se met alors à circuler sur une orbite de Lissajous () autour de ce point de Lagrange. La rotation du satellite est annulée et le module de propulsion, qui peut perturber les mesures, est largué. Cette phase dure une quinzaine de jours. Une fois le satellite stabilisé, le fonctionnement des équipements et est vérifié durant une dizaine de jours.

Réalisation des tests technologiques entame en février sa mission pour une durée prévue de six mois en parcourant une orbite de Lissajous autour de : ces opérations comprennent deux phases de chacune : la première est consacrée à l'utilisation du et la seconde au . Chaque mois deux à trois jours sont neutralisés pour effectuer des corrections de trajectoire. Les données sont transmises à la station terrestre de Cerebros en Espagne (antenne parabolique de de diamètre) dans le cadre de sessions quotidiennes de par jour avec un débit de par seconde. Le fonctionnement du satellite est contrôlé par le Centre européen des opérations spatiales (ESOC) à Darmstadt, en Allemagne, tandis que les opérations scientifiques sont pilotées par le Centre d'astronomie spatiale européen (ESAC) à Villafranca de la Cañada, en Espagne.

Expérience LPT Les 15 et , les deux masses d'épreuve de l'expérience LPT baptisées Jake et Elwood (en référence aux ) sont libérés des deux « doigts de maintien »douze clamps de fixation maintenaient chaque masse pour éviter l'influence des vibrations lors de la mise en orbite. qui les maintiennent en place depuis le lancement. Un champ électrostatique créé par des électrodes situées à des faces des cubes les empêche d'entrer en contact avec les parois. Durant les semaines suivantes, le champ électrostatique est progressivement réduit jusqu'à son annulation et les masses se mettent à flotter librement. L'interféromètre laser doit alors mesurer la distance séparant les deux masses avec une précision de et identifier les sources des erreurs de mesure éventuelles (présence d'une force s’exerçant sur les masses dans l'axe de la mesure) . .

Expérience DRS et extension de la mission