LISA Pathfinder : Investigations magnétiques dans l'espace

LISA Pathfinder était une mission de l'Agence spatiale européenne pour tester des technologies destinées à un futur observatoire spatial qui vise à détecter les ondes gravitationnelles. Le but principal était de montrer qu'on pouvait mesurer des mouvements très petits dans l'espace, notamment les toutes petites variations de mouvement de deux masses de test qui flottent librement. Cette sensibilité est super importante parce que les ondes gravitationnelles produisent des signaux à très basses fréquences que les détecteurs au sol ne peuvent pas capturer.

Le vaisseau spatial a été lancé le 3 décembre 2015 et a commencé ses opérations scientifiques le 1er mars 2016, après avoir atteint un point stable dans l'espace. La mission comprenait deux expériences principales : une d'Europe et une autre des États-Unis. Pendant sa période d'opération, LISA Pathfinder a réussi à atteindre ses objectifs scientifiques, dépassant même les attentes dans certaines mesures.

Atteindre le niveau de chute libre souhaité était important, mais comprendre tous les facteurs différents qui contribuent au bruit dans le système l'était tout autant. Pour y parvenir, la mission a inclus diverses expériences visant à décomposer les sources de bruit. Un des instruments clés à bord était le Sous-système de Données et Diagnostics, qui surveillait la température, les champs magnétiques et les niveaux de radiation.

Dans cet article, on va se concentrer spécifiquement sur les résultats des diagnostics magnétiques et les expériences menées pour mesurer les propriétés magnétiques des masses de test dans LISA Pathfinder. Toute interférence magnétique peut affecter la performance des instruments qui détectent les ondes gravitationnelles, ce qui rend crucial de recueillir des informations précises sur ces paramètres.

#Configuration expérimentale

#Le Sous-système de Diagnostics Magnétiques

Le sous-système de diagnostics magnétiques de LISA Pathfinder avait deux tâches principales : surveiller l'environnement magnétique et générer des champs magnétiques contrôlés pour sonder les réactions des masses de test. Ce sous-système était constitué de quatre magnétomètres et de deux bobines d'induction.

Les bobines étaient conçues pour injecter un champ magnétique contrôlé autour des masses de test et étaient soigneusement positionnées pour s'assurer que le champ était centré. Chaque bobine avait plus de 2400 tours de fil en alliage de titane pour créer le champ magnétique souhaité. Les magnétomètres fonctionnaient en continu pour mesurer le comportement du champ magnétique, en s'assurant qu'ils étaient placés suffisamment loin des masses de test pour ne pas interférer avec leur mouvement.

#Environnement Magnétique à Bord

Le champ magnétique à bord était principalement influencé par les systèmes électroniques du vaisseau spatial. Les systèmes de propulsion contribuaient de manière significative à ce champ, les propulseurs à gaz froid étant la principale source. Bien que cette contribution fût substantielle, elle restait relativement stable tout au long de la mission, ce qui était essentiel pour obtenir des mesures précises. En revanche, les propulseurs colloïdaux montraient des fluctuations graduelles au fil du temps.

Dans les plages de basses fréquences, le bruit causé par les fluctuations magnétiques était principalement affecté par les changements du champ magnétique interplanétaire. Pour nos expériences futures, nous pouvions ignorer le champ magnétique de fond provenant à la fois du vaisseau spatial et des sources interplanétaires, car ils étaient beaucoup plus faibles que les champs que nous générions avec nos bobines.

#Forces et Moments Torques Induits par le Magnétisme

Les effets magnétiques peuvent influencer le mouvement des masses de test en chute libre, ce qui rend nécessaire une solide base théorique pour nos expériences. En considérant les masses de test comme des dipôles magnétiques dans un champ magnétique environnant, nous pouvions dériver des équations décrivant les forces et les torques agissant sur elles.

Les masses de test présentent deux types de moments magnétiques : un moment permanent lié aux matériaux utilisés et un moment induit qui réagit aux champs magnétiques externes. Comprendre comment ces moments interagissent avec les champs magnétiques générés est crucial pour prédire comment les forces et les torques affecteront les masses de test durant les expériences.

#Estimation des Paramètres Magnétiques des Masses de Test

Pour évaluer les forces et les torques sur les masses de test, nous devons calculer le champ magnétique externe moyen et son gradient dans leurs volumes. En utilisant les bobines d'induction, nous pouvons créer des champs magnétiques dont les valeurs et les gradients peuvent être calculés selon des lois bien connues. Cela nous permet de contrôler l'influence magnétique autour des masses de test et d'observer comment elles réagissent.

#Susceptibilité magnétique

Une méthode pour mesurer les propriétés magnétiques des masses de test consiste à étudier la relation entre les champs magnétiques induits et les forces générées. En analysant les signaux de force à deux fois la fréquence du champ magnétique injecté, nous pouvons estimer la susceptibilité des masses de test, ce qui nous dit comment elles réagissent aux influences magnétiques externes.

#Moment Magnétique Remanent

La force à la fréquence du signal injecté reflète divers termes liés aux propriétés des masses de test. En isolant ces termes, nous pouvons estimer le moment magnétique effectif des masses de test, tirant des conclusions sur leurs moments magnétiques rémanents. Cette mesure nous informe sur les forces agissant sur les masses de test et comment elles sont affectées par les conditions externes.

#Estimations de Fond

De plus, nous pouvons aussi estimer les champs magnétiques de fond affectant les masses de test. Évaluer la relation entre la force mesurée et le champ magnétique nous aidera à dériver le champ de fond et son gradient aux emplacements des masses de test.

#Campagne Expérimentale en Vol

Une fois que LISA Pathfinder a commencé ses opérations scientifiques, nous avons prévu plusieurs expériences magnétiques pour recueillir des données sur les propriétés magnétiques liées aux masses de test. Ces expériences impliquaient l'application de courants électriques à travers les bobines pour produire des champs magnétiques dans la proximité des masses de test.

Au début, nous avons rencontré des problèmes avec une des bobines, ce qui a limité notre capacité à réaliser des expériences. La plupart des résultats présentés dans cette étude sont basés sur des données collectées avec la bobine fonctionnelle.

Nous avons réalisé trois séries d'injections magnétiques, ce qui nous a permis d'appliquer systématiquement différents signaux et d'observer les réponses des masses de test sous des conditions variées. Chaque série d'injections impliquait une série de courants sinusoïdaux appliqués aux bobines sur différentes durées, ce qui a conduit à un riche ensemble de données pour l'analyse.

#Analyse des Expériences Magnétiques

Lors des expériences magnétiques, nous avons mesuré les variables clés d'intérêt : le champ magnétique généré par les bobines, l'accélération des masses de test due au champ magnétique, et le couple agissant sur les masses de test.

Pour évaluer la force induite magnétiquement agissant sur les masses de test, nous nous sommes concentrés sur l'accélération différentielle entre elles. Cela impliquait de soustraire les forces provenant d'autres influences sur le vaisseau spatial pour isoler les effets des champs magnétiques que nous avions générés.

Les lectures des magnétomètres, qui nous ont permis de suivre les champs magnétiques, étaient cruciales pour calibrer nos résultats et garantir une haute précision dans les mesures.

#Moment Magnétique Remanent et Estimations de Fond

Nous avons dérivé des estimations pour les moments magnétiques rémanents à partir des données collectées pendant les expériences magnétiques, révélant qu'il n'y avait pas de préférence directionnelle dominante. Cela correspond à la compréhension que les masses de test se comportent comme des matériaux isotropes. Nous avons trouvé que les valeurs des moments magnétiques rémanents étaient beaucoup plus précises que lors des tests au sol précédents.

De plus, nous avons effectué des calculs pour estimer le champ magnétique de fond à la position des masses de test. Cela a impliqué une évaluation systématique des forces sous diverses conditions injectées, produisant des résultats cohérents qui correspondaient aux prédictions antérieures.

#Susceptibilité Magnétique et Résultats Expérimentaux

À travers les expériences, nous avons mesuré des valeurs de susceptibilité magnétique pour les masses de test à différentes fréquences. Ces valeurs correspondaient de près aux attentes théoriques et démontraient la réponse des masses de test aux champs magnétiques.

Les mesures ont confirmé que la composante continue de la susceptibilité correspondait bien aux niveaux prévus tirés des évaluations antérieures au sol. De plus, les résultats ont montré que la composante imaginaire de la susceptibilité était petite, suggérant des effets retardés négligeables.

Les forces totales mesurées ont été comparées à nos modèles, ce qui nous a permis de vérifier nos hypothèses et de tirer des conclusions pratiques sur la performance des masses de test sous influences externes.

#Conclusions

Les résultats de LISA Pathfinder contribuent significativement à notre compréhension de la façon dont les forces magnétiques interagissent avec des masses de test en chute libre dans le cadre de la détection d'ondes gravitationnelles. La mission a offert l'occasion de tester rigoureusement et de caractériser les effets de couplage magnétique qui peuvent informer la conception de futurs observatoires spatiaux.

Nos résultats ont révélé que les masses de test avaient des moments magnétiques rémanents isotropes, conformément aux matériaux et conditions attendus. Les valeurs estimées des champs magnétiques de fond étaient acceptables et en ligne avec les prédictions antérieures, confirmant la fiabilité de nos techniques de mesure.

Les connaissances acquises à travers ces expériences faciliteront la conception de futurs détecteurs d'ondes gravitationnelles en minimisant le besoin de caractérisations dédiées pendant les phases de mise en service de la mission, optimisant ainsi l'efficacité opérationnelle.

L'analyse complète des propriétés magnétiques et de leurs implications nous permet de mieux nous préparer aux défis des futures initiatives de détection d'ondes gravitationnelles dans l'espace.