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Une mission sur Uranus et Neptune pourrait servir de détecteur d’ondes gravitationnelles massives

Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de Demandez à un Spaceman et Radio spatiale, et auteur de Comment mourir dans l’espace. Il a contribué cet article à 45secondes.fr’s Voix d’experts: opinions et idées.

Et si une mission pouvait étudier le ondes gravitationnelles déclenché par certains des événements les plus violents de l’univers – sur la voie de l’observation des planètes les moins connues de notre système solaire?

Les planétaires ont désespérément besoin de nouvelles sondes pour Uranus et Neptune, puisque ces mondes géants de glace n’ont pas été visités depuis les survols de la mission Voyager de la fin des années 1980. Et même si un tel vaisseau spatial déterrerait un trésor d’informations sur ces frères et sœurs du système solaire, il pourrait également explorer beaucoup plus profondément l’univers, disent les scientifiques dans une nouvelle analyse: en surveillant attentivement les variations des signaux radio d’un ou plusieurs de ces vaisseaux spatiaux, les astronomes pourraient potentiellement voir les ondulations de la gravité causées par certains des événements les plus violents de l’univers.

En rapport: Voyager à 40 h 40 Photos de la mission épique de «  grand tour  » de la NASA

Glace, bébé de glace

Pauvres Uranus et Neptune. Les seules images en gros plan que nous ayons de ces mondes extérieurs nous viennent du Voyageur 2 vaisseau spatial, qui a balancé par ces planètes lors de son « Grand Tour » à la fin des années 1980. Depuis, nous avons envoyé des sondes à Mercure, des missions vers Jupiter et Saturne (y compris l’atterrissage sur la lune de cette dernière Titan), a collecté des échantillons d’astéroïdes et de comètes, et a lancé rover après rover sur Mars.

Mais pas Uranus ou Neptune. Ces mondes, maintenant connus sous le nom de «géants de glace» parce que les glaces à l’eau et à l’ammoniaque dominent leur composition, sont isolés dans les franges extérieures de notre quartier céleste. Il n’y a pas d’autres mondes dans le système solaire tout à fait comme eux, et toute une génération de scientifiques planétaires a pu les étudier avec seulement des télescopes au sol et des aperçus occasionnels du Hubble Télescope spatial.

Une partie de ce retard est hors de notre contrôle. Même Neptune au plus près se trouve à plus de 2,7 milliards de miles (4,3 milliards de kilomètres) de la Terre.La distance extrême de Neptune et d’Uranus rend extrêmement difficile le lancement de charges utiles là-bas.

Mais une opportunité se présente bientôt, fenêtre pendant laquelle Jupiter s’aligne parfaitement pour offrir une assistance gravitationnelle accélérant la vitesse et réduire le temps de trajet vers le système externe. Si nous devions lancer une mission au début des années 2030 sur une fusée suffisamment puissante, comme celle de la NASA Système de lancement spatial, une mission pourrait atteindre Jupiter dans un peu moins de deux ans pour cette augmentation de vitesse. À partir de là, un seul vaisseau spatial pourrait se séparer en deux composants, l’un se dirigeant vers Uranus (l’atteignant en 2042) et l’autre pour Neptune (atteignant l’orbite quelques années plus tard).

Une fois en place, si la chance l’emporte, ces orbiteurs pourraient maintenir leur station pendant plus d’une décennie, comme le célèbre Mission Cassini fait à Saturne.

Un décalage vers la gauche

Au cours de la longue croisière vers ces destinations glacées, ces mêmes sondes spatiales pourraient également offrir un aperçu d’un type de science très différent, celui des ondes gravitationnelles, comme détaillé dans un article. récemment téléchargé sur le serveur de pré-impression arXiv.org et soumis aux notifications mensuelles des lettres de la Royal Astronomical Society.

Au cours du vol, les scientifiques et les techniciens au sol devraient constamment communiquer avec le vaisseau spatial, mettre à jour sa trajectoire et vérifier son état. Et inversement, le vaisseau spatial transmettrait constamment des informations à la Terre.

Représentation artistique des ondes gravitationnelles.

Représentation artistique des ondes gravitationnelles. (Crédit d’image: R. Hurt / Caltech-JPL)

Des ondes lumineuses qui rebondissent le long d’un chemin extrêmement long.

Semble familier? Sur Terre, les physiciens réfléchissent des faisceaux laser le long de pistes de plusieurs kilomètres pour mesurer les ondes gravitationnelles qui passent. Lorsque les ondes (qui sont des ondulations dans le tissu de l’espace-temps lui-même) traversent la Terre, elles déforment les objets, les compressant et les étirant en séries alternées. À l’intérieur du détecteur, ces ondes modifient subtilement la longueur entre les miroirs distants, affectant le trajet de la lumière dans les observatoires d’ondes gravitationnelles d’une infime quantité (généralement inférieure à la largeur d’un atome).

Pour les communications radio d’une mission spatiale lointaine vers la Terre, l’effet est similaire. Si une onde gravitationnelle traverse le système solaire, elle modifierait la distance par rapport au vaisseau spatial de manière régulière, ce qui ferait en sorte que la sonde soit toujours légèrement plus proche de nous, puis plus loin, puis plus proche à nouveau. Si le vaisseau spatial envoyait une transmission pendant toute la croisière, nous verrions un résultat Doppler dans la fréquence de sa communication radio. Avoir deux de ces vaisseaux spatiaux agissant à la fois donnerait aux astronomes des observations plus nettes de ce changement.

En d’autres termes, ces sondes spatiales lointaines pourraient faire double emploi en tant que plus grands observatoires d’ondes gravitationnelles au monde.

Le grand univers

Le plus grand obstacle technologique est la capacité de mesurer la fréquence des communications radio de l’engin spatial avec une précision incroyablement élevée. Selon les recherches récentes, notre capacité à mesurer cela doit être au moins 100 fois meilleure que ce que nous pourrions réaliser pour la mission Cassini à Saturne.

Cela semble beaucoup, mais cela fait des décennies que Cassini a été conçu et nous améliorons constamment nos technologies de communication. Et les physiciens conçoivent actuellement leurs propres détecteurs d’ondes gravitationnelles spatiales, comme le Antenne spatiale pour interféromètre laser (LISA), qui nécessitera de toute façon une technologie similaire. Puisqu’une mission de géant de glace est encore dans près d’une décennie, nous pourrions consacrer encore plus de ressources au développement de la technologie nécessaire.

Si nous pouvons casser ce niveau de sensibilité, alors la longueur extrême de ce «bras» détecteur d’ondes gravitationnelles (littéralement des milliards de fois plus long que nos détecteurs actuels) pourrait révéler une variété d’événements extrêmes dans l’univers. En raison de sa longueur incroyable, cet «observatoire du géant des glaces» serait sensible à une classe d’événements entièrement différente de ce que nous pouvons observer aujourd’hui. Selon la recherche, pendant la durée de vie d’une telle mission, les sondes sont susceptibles de détecter quelques dizaines de fusions de trous noirs avec des différences de masse extrêmes, et au moins une fusion d’un trou noir supermassif. Ce sont des événements que nous n’avons tout simplement pas observés, et que nous ne pouvons pas observer, avec les détecteurs d’ondes gravitationnelles actuels.

Oh, et nous pourrions également en apprendre davantage sur Uranus et Neptune.

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