I3 : Physique fondamentale et géophysique dans l’espace

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  • Grâce à plusieurs projets spatiaux, l’IPGP et APC ont développés une expertise internationalement reconnue dans les domaines des mesures de précisions de distances, de temps ou d’accélération en astrophysique, physique fondamentale, planétologie ou en sciences de la Terre. Les projets eLISA et la mission NASA Insight illustrent ce positionnement.

     

    Mais les instruments qui équiperont les missions de la prochaine decade (2020-2025) doivent être des maintenant conçus et leurs premiers prototypes doivent des maintenant être développés, afin d’offrir des performances qui en feront les dignes successeurs de la génération actuelle.

     

    L’objectif de ce projet est de focaliser le efforts de R&D vers des techniques de mesures ultra-précises afin, par exemple,

    • d’explorer les nouvelles technologies permettant des mesures d’accélération ultra-précise (par exemple avec des systèmes optiques ou quantiques)
    • de réduire la masse des capteurs et d’intégrer plus encore les électroniques de contrôle grâce à de l’intégration 3D
    • de modéliser et de mieux comprendre la physique des propulseurs de très faible poussée

     

    Ces nouveaux instruments nous permettront de nouveaux défis scientifiques, dont les deux principaux sont présentés ci-dessous.

     

    Vers une nouvelle génération de micro-propulseurs

    Beaucoup de futures missions spatiales en physique fondamentale (p.ex. MICROSCOPE, eLISA) requierent un positionnement extrêmement précis sur une géodésique (i.e. une trajectoire purement inertielle). Pour ce faire, il est nécessaire de disposer de propulseurs capables de fournir des poussées très faibles (au niveau du micro-newton) avec de très faibles perturbations.

    La mission LISA Pathfinder (http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/LISA_Pathfinder_overview) a pour but de tester les briques technologiques nécessaires au vol inetriel, et plus spécifiquement la démonstration des techniques envisagées dans la mission eLISA (détection d’ondes gravitationnelles). La mission LISA Pathfinder doit être lancée en 2015.

    Les développements technologiques faits pour LISA Pathfinder ont montré que la physique à prendre en compte pour la compréhension des bruits de poussée (effets de surface par exemple) était complexe et la caractérisation difficile à mettre en oeuvre au sol.

    L’objectif de ce projet est donc de mettre en place les outils d’analyse et les simulations nécessaires à l’exploitation des données de la mission LISA Pathfinder, plus particulièrement orientés vers la modélisation et la caractérisation des micropropulseurs à gaz froid qui seront embarqués.

    Ces études font l’objet d’une thèse entamée en octobre 2012.

    LISA_PF_2Engines.blanc_.rot_.jpg

    Vue du satellite LISA Pathfinder. On distingue 2 blocs de 4 micro-propulseurs.

     

    Vers une nouvelle génération de sismomètres Planétaires.

     

    Mars et la Lune se caractérisent par une activité sismique beaucoup plus faible que la Terre, 100 fois moindre pour Mars, 10000 fois moindre pour la Lune, et les signaux sismiques seront donc associés à des séismes de faible magnitude compares aux séismes terrestres. Quelques séismes de magnitude 5-6 par an sont ainsi attendus sur Mars, et les séismes les plus forts détectés sur la Lune, pendant les 7 années d’opération des sismomètres Apollo, avaient ainsi une magnitude de 4.5.

     

    Mais ces amplitudes très faibles (un million de fois plus faible à longue période par exemple être un séisme de magnitude 8.5 terrestre et un séisme lunaire de magnitude 4.5) sont contrecarrées par un bruit sismique beaucoup plus faible. Il n’y a ainsi pas sur ces planètes les pics de bruit micro-sismique terrestres associés aux ondes sismiques générées par les vagues océaniques et, dans le cas extrême de la Lune, l’absence d’atmosphère implique que les seules vibration de la surface sont celles associées aux micro impactes de météorites et à l’activité sismique de la planète.

     

    Il est donc nécessaire de développer des instruments d’une extrême sensibilité pour atteindre le bruit de fond sismique de ces planètes et pour pouvoir ainsi détecter d’une manière optimum l’activité sismique de ces dernières.

     

    Avec la sélection de la mission INSIGHT, une première génération de sismomètre planétaire seront déployés sur Mars en 2016. Ce projet est donc focalise sur la seconde génération d’instruments, qui seront a priori déployés sur la Lune (ou Mars) entre 2020 et 2015. De part leur sensibilité extrême, les objectifs scientifiques d ces instruments seront doubles:

    • sur la Lune et Mars, l’objectif principal sera de détecter les signaux très longues périodes associés aux modes propres d’oscillation, qu’ils soient excites par la turbulence atmosphérique sur Mars ou par les plus gros séismes ou impacts de météorites sur la Lune
    • sur la Lune, l’objectif sera détecter des signaux sismiques ou gravitationnels “exotiques”, générés par l’impact sur la Lune de particules élémentaires massives ou, comme cela fut le cas pour le gravimètre de la mission Apollo 17, par la mise en oscillation de la Lune par une onde gravitationnelle.

    De telles sensibilités impliqueront une rupture majeure de technologie dans la conception et dans les principes de mesure de ces instruments. L’objectif de ce projet Interface est donc de tirer partie de la précision des mesures de déplacement développé en Physique fondamentale, dans le cadre des interféromètres terrestre Virgo ou du futur interféromètre spatial eLISA, et de réaliser un prototype de simomètre intégrant de tels systèmes de détection.

    GraviApollo17.png

    Gravimètre Apollo 17 : Cet instrument n’a pas fonctionné en mode gravimètre, en raison d’une erreur de conception. Son objectif principal était de détecter des ondes gravitationnelles, en utilisant la Lune comme détecteur.

     

    ImpactLunaire.png

    Spectre des signaux sismiques d’un des plus gros impacts Lunaire. Les courbes en couleurs correspondent aux spectres des signaux Apollo, alors que la courbe en vert correspond à un spectre synthétique. La gamme inexplorée des modes propres lunaires se situe entre 1mHz et 10 mHz, nécessitant des sensibilités 1000 fois meilleurs qu’Apollo et 100 fois meilleures que les sismomètres planétaires de première génération.

  • Sismomètre Planétaire (IPGP)

    Philippe Lognonné, IPGP, Professeur (Université Paris Diderot), Planétologie et Sciences Spatiales, lognonne@ipgp.fr

    Sébastien de Raucourt, IPGP, Ingénieur de Recherche (Université Paris Diderot) Planétologie et Sciences Spatiales, deraucourt@ipgp.fr

    Olivier Robert, IPGP, Ingénieur de Recherche (CNRS) Planétologie et Sciences Spatiales, Roberto@ipgp.fr

    Equipe eLISA (APC)

    Hubert Halloin, APC,Maître de Conférences (Université Paris Diderot), hubert.halloin@apc.univ-paris7.fr

    Eric Plagnol, APC, Directeur de Recherche (CNRS), eric.plagnol@apc.univ-paris7.fr

    Gérard Auger, APC, Directeur de Recherche (CNRS), gerard.auger@apc.univ-paris7.fr

    Etudiants et post-docs

    Henri Inchauspe, doctorant, caracterisation de micro-propulseurs avec LISA Pathfinder, henri.inchauspe@apc.univ-paris7.fr

    John Nelson, post-doc, conception et réalisation d’un cpateur interférométrique pour sismomètre planétaire, john.nelson@apc.univ-paris7.fr

  • A venir

  • A SPACE VERY BROAD BAND (VBB) SEISMOMETER Insight : The next NASA Discovery 12 Mission to MARS

    O.Robert, J.Gagnepain-Beyneix, T. Nébut, S. Tillier, S. Deraucourt, K.Hurst, T. Gabsi, P.Lognonné, W.B.Banerdt, D.Mimoun, M. Bierwirth, S. Calcutt, U.Christensen, D. Giardini, L. Kerjean, Ph. Laudet, D. Mance, R. Perez, T.Pike, R. Roll, P. Zweifel, and the SEIS Team

    Download : http://www.ipgp.fr/pages/02050612.php

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