(LISA) est une future mission spatiale de l'Agence spatiale européenne (ESA) dont l'objectif est de détecter des ondes gravitationnelles de basse fréquence depuis l'espace. Il s'agit du premier observatoire spatial d'ondes gravitationnelles, les observatoires actuels, notamment LIGO et Virgo, étant terrestres.
LISA consiste en une constellation de trois satellites en orbite héliocentrique formant un triangle équilatéral de de kilomètres de côté dont les trois bras sont reliés par six faisceaux laser.
LISA est conçue à partir de 1997 comme une collaboration entre l'ESA et la NASA, mais l'agence spatiale américaine se retire en 2011 pour des raisons financières. Le projet européen se voit alors fortement réduit et renommé successivement (NGO) puis (eLISA). Après le succès de la mission du démonstrateur technologique et surtout la première observation directe d'ondes gravitationnelles le , la NASA fait son retour dans le projet en 2016. Reprenant le nom de LISA, le projet est de nouveau redéfini et se voit finalement sélectionné par l'ESA le comme mission large L3 du programme pour un lancement en 2035.
Contexte Les ondes gravitationnelles : une nouvelle fenêtre sur l'Univers
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 être perturbées. Il est donc possible en les observant d'obtenir des informations inédites sur l'Univers.. Notamment, elles peuvent permettre de mieux connaître les débuts de l'Univers, lors des 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..
Les interféromètres terrestres et les premières observations
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 (-) 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 par les laboratoires LIGO et Virgo. Le signal GW150914 est détecté le à sur les deux sites américains jumeaux LIGO. L'origine de ce signal est la coalescence (fusion) de deux trous noirs de 36 et , situés à plus d'un milliard d'années-lumière de la Terre... Une deuxième observation est faite le , une troisième le et une quatrième le . Ces découvertes sont récompensées par le Prix Nobel de physique en , décerné aux américains Rainer Weiss, Barry C. Barish et Kip Thorne, responsables de l'expérience LIGO..
Le , la fusion de deux étoiles à neutrons est observée pour la première fois à la fois sous forme d'ondes gravitationnelles par les terrestres et sous forme lumineuse par , sur terre et en orbite. Cet événement signe réellement le début de l'astronomie gravitationnelle..
Les premiers projets d'interféromètres spatiaux 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..
Le concept est approfondi les années suivantes, et en 1981, Peter Fender et James Faller, du Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) de l'université du Colorado à Boulder, proposent la mission LAGOS () : 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...
Objectifs scientifiques LISA est le premier observatoire spatial d'ondes gravitationnelles. Il permet la détection d'ondes gravitationnelles de basse fréquence, comprises entre et ., inobservables par les interféromètres terrestres en raison de leur petite taille et des perturbations sismiques. Les ondes gravitationnelles de basse fréquence sont produites par des astres très massifs et très lointains, comme les binaires de trous noirs supermassifs nichées au centre des galaxies, ou les EMRI..
La bande de fréquence observée par LISA est considérée comme la plus riche en ondes gravitationnelles. Ainsi la mission doit permettre de mieux comprendre la formation d'étoiles binaires dans la Voie lactée, de connaître l'histoire de l'Univers jusqu'à un décalage vers le rouge de l'ordre de 20 (premières étoiles formées après le Big Bang), de tester la théorie de la relativité générale dans les champs gravitationnels forts et d'observer les débuts de l'Univers mettant en œuvre des énergies de l'ordre du TeV..
Genèse et développement du projet Proposition comme mission M3 de l'ESA (1993-1996) 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 : le projet LISA (), mené par Karsten Danzmann de l'université Gottfried-Wilhelm-Leibniz de Hanovre, consiste en placés en orbite héliocentrique formant un interféromètre avec des bras de 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 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.
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 et le comité d'étude, conscients de son potentiel scientifique, recommandent d'en faire la troisième mission « pierre angulaire » du programme . 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..
Projet conjoint ESA / NASA abandonné (1997-2011) 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 , elle propose avec le (FPAG) de collaborer avec la NASA.
En , une équipe du Jet Propulsion Laboratory (JPL) travaille déjà avec l'équipe scientifique de LISA sur un projet estimé à de dollars américains : trois satellites espacés de de kilomètres formant un triangle équilatéral et envoyés par un lanceur Delta II. Cette nouvelle mission LISA est présentée au (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 . 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 est formée avec américains et la participation de l'équipe de l'ESA.
En , 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.
Mais en , 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 a jugé plus important le projet (WFIRST) consacré à l'étude de l'énergie noire....
Redéfinition du projet européen et proposition comme mission L1 de l'ESA (2011-2013) 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...
Le projet, renommé (NGO)., se voit proposé comme mission L1 du programme Cosmic Vision. Mais si sa valeur scientifique est reconnue, le Comité du programme scientifique choisit en la mission de la sonde spatiale JUICE qui doit survoler les lunes de Jupiter...
Retour de la NASA et sélection comme mission L3 de l'ESA (2013-2017) En , 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.. Le thème de cette dernière correspond à l'objectif du projet NGO, désormais nommé eLISA ()..
Le démonstrateur technologique LISA Pathfinder chargé de valider les technologies utilisées dans LISA est lancé le à 4 h 04 TU par le lanceur européen Vega depuis la base de lancement de Kourou.. Le satellite atteint le sa position finale, au point de Lagrange L1, à de kilomètres de la Terre en direction du Soleil. Il commence sa mission scientifique en 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...
Après le succès de la mission et surtout la première observation directe d'ondes gravitationnelles le , la NASA décide à l'été 2016 de rejoindre le projet qui reprend le nom de LISA... Les équipes scientifiques du projet peuvent alors revoir leurs ambitions scientifiques à la hausse.