LisaPathFinder / LISA

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Actualités


LISA

Mission

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) 












 

In 2016, the spectacular success of the European Space Agency (ESA)’s LISA Pathfinder mission has paved the way for the Laser Interferometer Space Antenna (LISA), the much anticipated flagship mission of low-frequency Gravitational Waves astronomy. LISA will target mHz frequencies and thus, in particular, systems involving B Hs in the 104 −107M⊙ mass range. The LISA mission has completed Phase A (industrial study). LISA enters Phase B (industrial production) in 2022 and proceed to launch around 2034 (nominally), or even earlier if technical readiness is deemed satisfactory. LISA consists of 3 satellites, forming a giant interferometer - with 2.5 million km arm length - orbiting the Sun about 20◦ behind the Earth.

     APC is involved in the exploration of the scientific abilities of LISA to contribute to the fundamental physics (testing General Relativity theory, inferring cosmological parameters, probing the early universe) and to the identification of formation and evolution channels of GW sources. On the project side, we have two major responsibilities: on data processing and instrumentation which we now describe in detail.

 

 LISA Data Processing

     One major contribution of the team to the LISA mission is the prototyping of the LISA’s Distributed Data Processing Center (DDPC). DDPC is the platform from which the daily LISA data analysis will be performed during (and after) the mission operation. The team brings its expertise in both the infrastructure design and development of the data analysis.

  The team is one of the main contributors to the design of the Science Ground Segment and of the infrastructure of the DDPC led by CNES.  The common development environment and the prototype of the DDPC built at APC are currently used by LISA consortium for data/instrument simulation and data analysis.

  The LISA data analysis is a challenging task that requires the integration of different methods for signal extraction and noise reduction (e.g., laser frequency noise suppression). LISA data are expected to be dominated by gravitational-wave signals. Thousands of sources simultaneously present in the data have to be disentangled. The main platform for developing and testing data analysis methods is the LISA Data Challenge (LDC, https://lisa-ldc.lal.in2p3.fr/).  The LDC working group is in charge of producing the simulated LISA data and developing a set of state-of-the-art data analysis methods, addressing detection and characterization of all known sources (see below). Tests include robustness against the presence of gaps in the data (due to antenna repointing) and noise artifacts (glitches, long-term non-stationary noise components).  This project benefited from the wide range of expertise present in the group, in particular, GW signal modelling from merging black holes and from astrophysical knowledge of the population of GW sources.

Gravitational wave sources in the LISA band:

  • Massive black hole binaries (104 -- 107 solar masses). Those black holes formed and evolved together with hosting galaxies. The merger phase will be observed by LISA throughout the Unverse.
 
  • Galactic white dwarf binaries will be the most numerous sources in the LISA band. We expect millions of sources emitting the almost monochromatic signal during the full mission duration. Few tens thousands of those sources will be individually detected and characterized, while vast majority of the population will create a stochastic GW foreground  
 
  •  Extreme mass ratio inspiral happening in the nuclei of quiscent galaxies. As a result on N-body interaction a stellar-mass black hole could be thrown into orbit passing near the massive black hole in the centre and bein captured.This stellar-mass black hole revolves million orbits in a close proximity before being "swallowed " by a massive black hole .
 
  • Stellar mass binaries observed currently by LIGO-Virgo detectors could also be LISA sources. While the ground-based detectors observe those object during the merger (last second),  LISA might detect those binaries when the slowly spiral around each other years before the merger. SOme of those sources will be first seen by LISA and 3-10 year later detected by 3rd generation of GW detectors on the ground.  
 
  • Stochastic GW signal from the energetic processes in the early Universe (like first order electro-weak phase transition), from the network of cosmic strings or from the astrophysical population of binary systems. fonds stochastiques émis lors des premiers instants de l'Univers

LISA opens a new window on the Universe. The most interesting sources are therefore those that we do not expect!

The scientific fields covered by LISA are

  • the nature of gravity (testing the foundations of general relativity)
  • the fundamental nature of black holes: existence of a horizon, ...
  • black holes as a source of energy,
  • the formation of structures in the Universe (non-linear): first object, hierachic evolution, gas accretion,
  • the end of life of massive stars,
  • the dynamics of galaxy cores,
  • the very young Universe: physics of the Higgs at TeV (CERN), topological defects, cosmological models,

 

...

R & D


LISA Pathfinder

Mission

Vue d'artiste de LISA Pathfinder et de son
module de propulsion (crédit: ESA)

Pour relever les principaux défis technologiques de LISA,la mission de démonstration technologique LISAPathfinder (ESA/NASA) a été lancée le 3 décembre 2015. Elle a positionné sur une orbite autour du point de Lagrange L1 du système Terre-Soleil, à ( 1,5 millions de kilomètres de la Terre), deux masses inertielles distantes de 38cm dont la distance relative est mesurée avec une très haute précision par interférométrie laser hétérodyne. Ces deux petits cubes de 4cm de côté composés d’or et de platine « flottent » dans des enceintes cubiques espacées de 38 cm. Le satellite protège les cubes des influences extérieures en ajustant constamment sa position grâce à un système ultra-précis de micro-fusées. Les forces extérieures venant perturber le satellite, telles que le vent solaire, sont ainsi contrées. Les cubes restent centrés au cœur des cavités, en « chute libre », animés d’une orbite déterminée seulement par la gravité. La mesure de distance par interférométrie laser entre ces deux cubes permet d'évaluer le bruit d'accélération résiduelle entre les deux masses, autrement dit le niveau des forces perturbatrices qui n’ont pas pu être contrées.

Satellite LISA Pathfinder (crédit: ESA)

LISA Pathfinder est constitué de deux modules : le LTP (Lisa Technology Package), construit par l'ESA, et le DRS (Disturbance Reduction System) construit par la NASA.

Le LTP est constitué des masses-tests, du système d'électrodes autour des masses, des microfusées à gaz-froid, de l'interféromètre et d'un ordinateur de bord appelé DFACS

Les opérations scientifiques ont débuté le 1er mars 2016 et se déroulent depuis dans un environnement de grande stabilité. Cela permet, par exemple, des mesures d'une durée supérieure à une semaine sans intervention extérieure. L’équipe de LISAPathfinder effectue de nombreuses d'expériences afin de caractériser les sources de bruits résiduels

Tous les jours les données sont reçues et mises en forme par l'ESA pour ensuite être analysée par des scientifiques de différents laboratoires européens : AEI (Allemagne), IEEC (Espagne), APC (France), Trento (Italie) et Cardiff, Birmingham, Imperial College (UK). Ils utilisent un logiciel, appelé LTPDA, qui est constitué d'un ensemble d'outils facilitant la mise en place de chaines d'analyse avec un suivi d'historique complet des opérations effectuées. Afin de tester la validité des outils mis en place, des « STOC Exercises » ont été réalisés deux fois par an avant la mission.

Vue éclatée du LTP (Credit: ESA)

Lors de la phase d'opérations scientifiques de LISAPathfinder, une analyse journalière des données est effectuée à l'ESOC ("European Space Operation Center" , Darmstadt, Allemagne) par des équipes qui se relaient. Cette analyse dite "online" consiste à traiter les données dès leur arrivée par une série de procédures cadrées qui vérifient leur qualité, la présence d'éventuel problème et donnent les premiers résultats. En parallèle, des analyses "offline" sont effectuées par les centres délocalisés, comme le FACe à Paris qui en particulier est doté d’un support technique et de capacité de calculs (cluster, Cloud) que l’équipe LISAPathfinder utilise pleinement. Ces analyses détaillées permettent d'affiner les résultats et de comprendre au mieux le fonctionnement de l'instrument. Ainsi il est possible d'utiliser rapidement ces résultats pour ajuster le design de LISA et maximiser son retour scientifique.

 

Opérations de LISAPathfinder

  • 3/12/2015 : décollage depuis Kourou par la fusée Vega (vol VV06).
  • 22/01/2016 : arrivé sur l'orbite finale et séparation du module de propulsion
  • 17/12/2015 → 01/03/2016: commissioning : les industrielles ayant délivrés les différents sous-système vérifient leurs bons fonctionnement avec l'ESA et les scientifiques
  • 01/03/2016 → 27/06/2016: opérations nominales du LTP la partie européenne de LISAPathfinder constitué des masses-tests, du système d'électrodes autour des masses, des microfusées à gaz-froid, de l'interféromètre et d'un ordinateur de bord appelé DFACS
  • 27/06/2016 → 11/2016: opérations nominales du DRS la partie NASA de LISA Pathfinder consitué de micro-fusées à colloide et d'un ordinateur
  • 12/2016 → 31/05/2017: extension des opérations du  LTP

Résultats

Les premiers résultats de LISAPathfinder ont été publié le 7 juin 2016 dans Physical Review Letter (PRL.116.231101: Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observatories: LISA Pathfinder Results) Le système mesurant par interférométrie laser la distance entre les deux cubes est 100 fois plus performant que ce qui avait été atteint en laboratoire : il permet de mesurer une distance à 30 femto-mètres près (un dix-millième de la taille d’un atome).  L'accélération différentielle mesurée entre les deux masses test  à la fréquence de 1 milli-Hertz est de 5,5 fm.s-2 (fm.s-2 = femto-mètres par secondes carrées = 10-15 m.s-2) soit plus faible qu’un demi-milliardième de millionième de la gravité terrestre (9,6 m.s-2). Ces performances dépassent largement les exigences de LISAPathfinder de 30 fm.s-2. Elles sont très proches des performances souhaitées pour LISA, qui sont de 4.2 fm.s-2. Les forces perturbatrices résiduelles sur les masses de référence sont donc inférieures à 8 femto-Newton (10-15 Newton),  c'est-à-dire inférieures au poids d'une bactérie E. coli sur Terre  (1000 fois plus faible que le poids d'une cellule) qui aurait un mouvement oscillant d'une période de 1000 secondes. La différence entre les objectifs de LISAPathfinder et ceux de LISA est due au fait que le satellite LISAPathfinder n’attire pas les deux masses strictement de la même manière, contrairement à LISA où les masses sont dans 2 satellites séparés de millions de kilomètres.

LISAPathfinder à l'APC

Les 5 membres de l'équipe opérationnel de LISAPathfinder à l'APC travaille soit en "shift" à l'ESOC soit dans la "salle des opérations" du FACe. Ils sont spécialisés dans :

  • la vérification quotidienne du bon fonctionnement de l'unité d'injection laser,
  • la caractérisation des thrusters
  • la caractérisation des boucles de contrôle
  • le transfert des résultats de LISA Pathfinder à LISA grâce à l'expertise en simulation pour LISA du laboratoire
  • le suivi des effets de te,perqture sur le long terme.

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