Le projet LISA de détection des ondes gravitationnelles a été sélectionné comme mission ‘Large’ de l’ESA au printemps 2017, pour un lancement prévu en 2034. Cette mission repose sur la capacité à mesurer, par interférométrie optique, l’amplitude des fluctuations de la distance entre trois satellites distants de 2.5 Mkm avec une précision picométrique sur des périodes de temps de quelques secondes à quelques heures.

                  LISA est l’objet d’un développement international, la France faisant partie de la collaboration européenne fournissant l’instrument. LISA est actuellement en phase de définition préliminaire (Phase A). Dans ce contexte, le CNES et une quinzaine de laboratoires français étudient leurs contributions au développement du centre de traitement de données de la mission, aux activités d’Intégration, Tests et Validation de l’instrument et au contrôle des performances  scientifiques.

                  La thèse proposée ici porte sur la vérification expérimentale des performances métrologiques de la mission LISA. Deux aspects complémentaires seront abordés :

• les performances de la constellation (c.à.d. combinant les mesures issues des 3 satellites) grâce à un banc interférométrique dédié existant.
• l’évaluation des performances de chaque instrument à partir de caractérisation au sol, grâce au développement d’un nouveau banc de métrologie

                  Depuis plusieurs années et avec le soutien du CNES, un banc interférométrique de démonstration métrologique (le LOT : LISA On Table) a été mis en place à l’APC. Ce banc a pour objectif de démontrer expérimentalement plusieurs aspects des algorithmes d’interférométrie retardée (TDI), qui doivent réduire les bruits de phase des sources laser de 8 ordres de grandeur et donc cruciaux pour la mission LISA.  D’autre part, l’APC est aussi fortement impliqué dans la mise en oeuvre d’outils de simulation ‘end-to-end’ de LISA, de la description des sources astrophysique aux méthodes d’analyses, en passant par la modélisation instrumentale et des sources de bruit. Le développement et l’exploitation du LOT permettent donc de comparer théorie et expérience et différencier les effets instrumentaux des approximations de modélisation.

                  Par ailleurs, la collaboration LISA France démarre actuellement le développement d’un banc de métrologie laser. Ce banc reprend, de façon simplifiée dans un premier temps, le principe des mesures d’interférométrie hétérodyne qui seront nécessaires aux caractérisations de l’instrument LISA. Les objectifs principaux de ce banc sont de dimensionner les technologies et méthodes à mettre en œuvre, ainsi qu’une évaluation de la représentativité des calibrations qui pourront être menées au sol. Dans ce projet, l’APC se propose d’intégrer les différents sous-systèmes (source laser, banc optique, photodiodes, etc.) en provenance des laboratoires partenaire et d’effectuer les réglages et caractérisation (calibrations, niveaux de bruit), dans un environnement de tests bas bruit (thermique, vibrations, vide).

                  Le travail proposé au futur doctorant porte donc sur la validation expérimentale des performances LISA, via la poursuite de l’exploitation de l’expérience LOT, ainsi que les possibilités de caractérisation des instruments LISA grâce aux bancs de test au sol.

                  Plus spécifiquement, l’étudiant aura pour tâche de maintenir, mettre en œuvre, améliorer et exploiter le banc optique LOT et d’interpréter les résultats obtenus avec les simulations numériques correspondantes.

                  L’expérience acquise sur le LOT sera alors mise en œuvre pour participer aux dimensionnements, prototypages et finalement implémentations des mesures optiques de caractérisation du banc de métrologie. L’étudiant s’attachera tout particulièrement à expliciter, démontrer et trouver les limites des méthodes de caractérisations au sol pour l’évaluation des performances en vol. Cela passera notamment par l’identification et la modélisation des différentes sources de bruit de mesures, la proposition de méthodes de caractérisation des performances instrumentales, puis leur validation expérimentale sur des prototypes optiques dédiés et/ou le banc de métrologie en cours de développement.

                  Pour toutes ces activités expérimentales et leur interprétation en termes de performance instrumentale, le doctorant pourra s’appuyer sur les équipes scientifiques et techniques du groupe LISA au laboratoire APC. Ces travaux s’effectueront également en étroite collaboration avec les autres laboratoires français impliqué dans LISA, le CNES et, plus généralement, avec les autres instituts internationaux impliqués dans le développement de l’instrument LISA.

                  Cette thèse fait l’objet d’un co-financement CNRS / CNES.