Le 17 juin 2025, à l’occasion du salon international de l’aéronautique et de l’espace du Bourget à Paris, l’Agence spatiale européenne (ESA) et OHB System AG ont signé le contrat de construction des satellites de la mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Cet événement marque officiellement le lancement de la phase industrielle de cette grande mission scientifique. Alors que le cœur de l’instrument (le système interférométrique et le suivi des positions des masses de référence) est sous la responsabilité de l’ESA, OHB System AG, en partenariat avec Thales, réalisera le satellite.
Une mission scientifique ambitieuse
LISA est la grande mission scientifique de l’ESA qui observera l’Univers en détectant les ondes gravitationnelles qui le traversent dans une gamme de fréquence très riche mais jusqu’alors inexplorée.
Les ondes gravitationnelles sont des vibrations de l’espace-temps créées par certains phénomènes mettant en jeu des masses extrêmes. L’émission d’ondes gravitationnelles suffisamment intenses pour être détectées requière l’interaction gravitationnelle d’objets extrêmement denses comme les trous noirs, les étoiles à neutrons, les naines blanches et même des objets plus exotiques présents dans l’Univers primordial. Grâce à une constellation de trois satellites formant un triangle équilatéral de 2,5 millions de kilomètres de côté (6 fois la distance Terre-Lune) en orbite autour du soleil (voir Figure 2), LISA détectera les infimes déformations de l’espace-temps provoquées par le passage de ces ondes.
Depuis 2015, des fusions de trous noirs de masse stellaire et d’étoiles à neutrons sont régulièrement observées par les instruments au sol LIGO et Virgo, et depuis 2023 un signal d’ondes gravitationnelles semble être détecté à très basse fréquence (le nano Hz ou encore une fois par milliard de secondes alors que le Hz correspond à une fréquence de une fois par seconde) grâce à la chronométrie d’un réseau de pulsars. LISA observera dans la gamme du millihertz où émettent de nombreuses sources telles que les fusions de systèmes binaires de trous noirs super-massifs dont les masses sont de l’ordre d’un million de masses solaire, les systèmes binaires à rapport de masses extrême (petit trou noir orbitant autour d’un trou noir super-massif par exemple), les systèmes binaires d’étoiles à neutrons et potentiellement les bouillonnements de l’Univers primordial. LISA observera ces sources avec un tel niveau de détails qu’il sera non seulement possible de faire de l’astrophysique mais aussi de la physique fondamentale et de la cosmologie.
Technologie de pointe
Pour détecter les infimes déformations du triangle formé par les satellites lors du passage des ondes gravitationnelles, les satellites s’échangent des faisceaux lasers et utilisent l’interférométrie pour mesurer les variations de distance qui les séparent avec une précision de l’ordre de la dizaine de picomètres (100 fois plus petit que la taille d’un atome). C’est un défi énorme car, pour détecter les ondes gravitationnelles, les satellites ne doivent être sensibles qu’à la gravité. Pour cela, chaque satellite protège des masses de référence, petits cubes en or-platine de 4 cm de côté sans aucun contact mécanique, qui sont ainsi « en chute libre ». Le satellite mesure par interférométrie et couplage capacitif, sa position par rapport aux cubes qu’il contient et se repositionne grâce à un jeu de micro-fusées, contrant ainsi toute perturbation non gravitationnelle (micro-météorites, particules solaires, etc.).
Partenariats industriels et calendrier de la mission
Le système interférométrique et celui de réajustement sur les masses de référence constituent le cœur de l’instrument scientifique. Il est développé sous coordination de l’ESA par les états européens avec une contribution de la NASA. La réalisation du reste du satellite (structure, panneaux solaires, propulsions, ordinateurs de bord, etc.) est confiée à OHB System en partenariat avec Thales.
La signature de ce contrat vient finaliser la phase de mise en place de l’organisation et vient marquer le début de la construction de LISA. Le lancement des 3 satellites est prévu pour 2035 par une fusée Ariane 6.4. Il sera suivi d’une phase de transfert pendant 18 mois pour atteindre les orbites finales et débuter les opérations scientifiques qui dureront au minimum 4 ans.
Implication française et rôle du CEA-Irfu
Le CEA-IRFU est pleinement impliqué dans la mission LISA et contribue à l’instrument, l’analyse des données et la science. La France a la responsabilité de tester le cœur interférométrique de LISA et de mesurer ses performances. Dans ce contexte, le CEA-Irfu réalise deux éléments majeurs pour LISA. Le premier élément est la structure mécanique qui doit maintenir le banc optique de LISA, le simulateur de faisceau et le simulateur de masse de référence avec une stabilité de l’ordre d’une dizaine de picomètres. La seconde réalisation est le simulateur de la masse de référence qui simule les infimes mouvements de la masse pour vérifier les capacités de mesure de l’interféromètre. Un prototype (cf Figure 3) de ce système est actuellement en phase de tests.
L’autre contribution importante du CEA-Irfu dans la mission LISA est son implication dans le développement du centre européen de traitement des données (DDPC – Distributed Data Processing Center) qui se fait sous coordination française. Le CEA-Irfu a la responsabilité scientifique de ce centre, contribue au développement du système de nettoyage des données, et a la responsabilité d’une chaîne d’analyse pour les alertes, ces événements transitoires qui devront être extraits très rapidement des données pour informer la communauté internationale astrophysique et rechercher ainsi des contreparties avec les autres messagers du cosmos.
Enfin le CEA-Irfu prépare l’exploitation scientifique de LISA. Il étudie en particulier les capacités de cet observatoire révolutionnaire pour améliorer nos connaissances sur la relativité générale. Des études sont notamment effectuées sur la mesure d’effets spécifiques (mode quasi-normaux et effet mémoire) lors de la fusion de systèmes binaires de trous noirs supermassifs (cf. articles en lien).
News de l’ESA sur le sujet : https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/LISA/Construction_of_ESA_s_ambitious_LISA_mission_begins
Articles sur la mesure des harmoniques des fusions de binaires de trous noirs super-massifs avec LISA:
– Pitte et al., « Detectability of higher harmonics with LISA », 2023, https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.108.044053
– Pitte et al., « Exploring tests of the no-hair theorem with LISA », 2024, https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.110.104003