I3 : Physique fondamentale et géophysique dans l’espace
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A travers les projets spatiaux qu’ils ont menés ou sont en train de mener, l’IPGP et l’APC ont acquis une expertise en mesure de précision des distances, temps et accélération en astrophysique, physique fondamentale dans l’espace, surface planétaire, surface terrestre et fonds marins, ainsi qu’un rôle de premier plan en France dans la coordination des missions étroitement liées à ces techniques, par exemple le bureau français LISA (LISA France) et SEIS, le sismomètre planétaire français, sélectionné à bord de la mission NASA/INSIGHT.
Les techniques utilisées sont nécessairement associées à une technologie de pointe et souvent d’une extrême précision, nécessitant des niveaux de contrôle du bruit sans précédent (souvent dans des conditions difficiles et des mesures à très basse fréquence) et des instruments adaptés à l’espace. Ces techniques représentent la voie de l’avenir et leur développement permettra de progresser non seulement dans la compréhension des aspects les plus fondamentaux de notre environnement, qu’il s’agisse de la Terre, des planètes du système solaire ou de l’Univers en général, mais aussi dans les perspectives technologiques des missions spatiales à venir. Ils sont en effet étroitement liés aux connaissances et technologies de pointe telles que les nanotechnologies, les mesures de distance de haute précision, la physique de l’état solide, etc.
L’objectif de ce WP est de poursuivre les efforts de R&D dans ces domaines, dans l’ordre :
- explorer de nouvelles technologies pour les mesures d’accélération (par exemple avec des dispositifs optiques ou quantiques, y compris les atomes froids, les calamars supraconducteurs à haute température et les diodes à effet tunnel dans la tête des capteurs de déplacement ou de gravité, le laser satellite/satellite et le télémétrie par radio),
- réduire la masse et intégrer l’électronique de contrôle (par exemple avec le développement d’Asics, d’hybrides et d’emballages 3D hautement intégrés),
comprendre avec précision la physique des moteurs à très faible poussée (par exemple les effets de surface et les effets chimiques des sources d’ions utilisées pour les micropropulseurs de Newton). - améliorer considérablement la structure isolante et l’emballage en contrôlant les transferts thermiques à l’échelle nanométrique (par exemple, revêtement thermique nano et micro-conception d’isolants thermiques).
Ces nouveaux instruments nous permettront de relever de nouveaux défis scientifiques, dont les deux principaux sont présentés ci-dessous.
Vers une nouvelle génération de micro-propulseurs
Beaucoup de missions spatiales en physique fondamentale (p.ex. MICROSCOPE, eLISA) requièrent 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 a été lancée en 2015 et a remporté un énorme succès.
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 était 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 ont fait l’objet d’une thèse entamée en octobre 2012 et soutenue par Henri Inchauspé en 2016 “De LISA Pathfinder à LISA : élaboration d’un simulateur de dynamique pour la mission spatiale eLISA”.
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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 2018. Ce projet s’est donc focalisé 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 de ces instruments sont 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 excités 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 LISA, et de réaliser un prototype de sismomètre intégrant de tels systèmes de détection.
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.
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.
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Position Nom Laboratoire Grade & Employeur WP leader HALLOIN Hubert APC MCF, Paris Diderot WP co-leader LOGNONNE Philippe IPGP PR, Paris Diderot WP co-leader PLAGNOL Eric APC DR, IN2P3 WP membre INCHAUSPE Henri APC Post-Doc, LabEx WP membre FAYON Lucille APC / IPGP PhD, Paris Diderot WP membre DE RAUCOURT Sébastien IPGP Research Engineer, CNRS -
Deux activités principales ont été menées dans ce projet: la première sur les missions LISA Pathfinder et LISA, la seconde sur les sismomètres pour les missions planétaires. Ces 2 activités sont décrites ci-après. Le travail effectué depuis le début du programme LabEx est décrit en mettant l’accent sur les résultats obtenus l’année dernière.
Propulseurs à gaz froid LISA Pathfinder et modélisation dynamique LISA
Henri Inchauspé a soutenu avec succès sa thèse en novembre 2015. Depuis lors et jusqu’en septembre 2016, il a continué à travailler sur LISA Pathfinder et la modélisation dynamique en tant que postdoctorant. Henri a commencé un deuxième post-doctorat à la mission MICROSCOPE à l’ONERA en octobre 2016 et postule actuellement à l’Université de Floride à Gainesville pour travailler sur LIGO et la mission LISA.La mission LISA Pathfinder a été lancée en décembre 2015 et jusqu’à sa déconstruction en juillet 2017, elle a fourni des informations précieuses sur la technologie et les performances qui seront utilisées pour la future mission LISA. Il est donc d’une grande importance de pouvoir migrer les connaissances acquises de LISA Pathfinder vers cette future mission, donnant ainsi à la communauté physique un outil pour comprendre ses performances et suggérer des améliorations possibles. Le LTP (LISA Technology Package), testé lors de la mission LISA Pathfinder, implique de nombreux sous-systèmes comme, par exemple, le système de micro-propulsion, la lecture de l’interféromètre ou les contrôleurs.
Ce travail a été présenté en septembre 2017 dans le cadre d’un workshop commun organisé par le CNES entre les équipes de LISA Pathfinder et de Microscope sur le thème spécifique de la performance sans traînée pour ces deux missions. La comparaison des résultats de ces deux missions – qui utilisent les mêmes propulseurs à gaz froid – a permis d’identifier une source possible pour les lignes supplémentaires des données LPF, situées dans le contrôle de régulation du débit de gaz alimentant la buse. Cette explication possible fait actuellement l’objet d’une enquête plus approfondie.
Lecture optique pour les sismomètres planétaires et fonction de transfert mécanique du système de nivellement des sismomètres VBB
Depuis le début du projet, une étude approfondie de la conception et du bruit limite prévisible du système de lecture a été réalisée. Le système repose sur deux cavités Fabry-Perot et la différence de fréquence de verrouillage est surveillée pour en déduire le mouvement de le miroir commun
Lucile Fayon est arrivée sur ce projet en octobre 2014, en tant que doctorante. En effet, la présence d’une cavité optique parasite (due à des réflexions parasites sur des éléments optiques) a été identifiée, empêchant d’isoler le signal de la cavité «réelle». Une nouvelle configuration est en train d’être testée, en utilisant une autre lentille de focalisation mieux adaptée.
Lucile travaille également sur le modèle mécanique du système de nivellement des sismomètres VBB embarqué dans la mission InSight. L’objectif est de déterminer les modes propres de cette structure pour voir lesquels peuvent affecter les mesures sismiques, et d’étudier la sensibilité de la procédure de nivellement à certains paramètres, tels que la raideur du sol martien. .
Au cours de cette dernière année, ce modèle numérique a été finalisé et comparé à des données expérimentales, obtenues à partir de modèles de qualification et de vol. Ces résultats ont ensuite été implémentés dans les simulations de signaux provenant du dispositif pénétrateur (HP3 MOLE) à bord d’InSight. Sur la base de ces simulations, le travail effectué par Lucile a démontré que les six accéléromètres de l’instrument SEIS permettent de démêler les mouvements de rotation et de translation du système de nivellement et donc de mesurer la vitesse de phase des ondes de Rayleigh souterraines.
Après la fin de la mission LISA Pathfinder, l’analyse finale sera bientôt publiée et l’expérience acquise (en partie grâce au financement du LabEx) est transférée à la mission LISA.
Concernant le développement du système de lecture optique, l’objectif principal est maintenant de compléter la thèse de L. Fayon. Cela permettra d’évaluer le bruit expérimental du système et la performance attendue d’un sismomètre avec un tel système de lecture.
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Armano, M. et al. , Beyond the Required LISA Free-Fall Performance: New LISA Pathfinder Results down to 20 μHz, Physical Review Letters (2018), vol. 120, pp. 061101
Armano, M. et al. , Capacitive sensing of test mass motion with nanometer precision over millimeter-wide sensing gaps for space-borne gravitational reference sensors, Physical Review Letters D (2017), vol. 96, pp. 062004
Armano et al. Charge-Induced Force Noise on Free-Falling Test Masses: Results from LISA Pathfinder. Physical review letters (2017) vol. 118 pp. 171101
Armano et al. Constraints on LISA Pathfinder’s self-gravity: design requirements, estimates and testing procedures. Classical and Quantum Gravity (2016) vol. 33 pp. 235015
Nofrarias et al. Optimal design of calibration signals in space-borne gravitational wave detectors. Physical Review D (2016) vol. 93 pp. 102004
Armano et al. Sub-Femto-g Free Fall for Space-Based Gravitational Wave Observatories: LISA Pathfinder Results. Physical Review Letters (2016) vol. 116 pp. 231101
Armano et al. A noise simulator for eLISA: Migrating LISA Pathfinder knowledge to the eLISA mission. Journal of Physics: Conference Series (2015) vol. 610 pp. 012036 [Main author : Henri Inchauspé]
Armano et al. A Strategy to Characterize the LISA-Pathfinder Cold Gas Thruster System. Journal of Physics: Conference Series (2015) vol. 610 pp. 012026
Inchauspe et Plagnol. Migrating LISAPathfinder noise results to the eLISA mission. 40th COSPAR Scientific Assembly. Held 2-10 August 2014 (2014) vol. 40
Without a written acknowledgment of the UnivEarthS Labex support:
Vitale et al. Data series subtraction with unknown and unmodeled background noise. Physical Review D (2014) vol. 90 pp. 042003