L’équipe de la mission Gaia s’apprête à livrer son catalogue des astres de la voûte céleste. Un inventaire gigantesque précisant la distance, la position et la taille de plus d’un milliard de corps situés dans la Voie lactée et au-delà.

C’est un pas de géant dans la connaissance de l’espace. Le grand bond en avant des arpenteurs du cosmos. Le 14 septembre, l’équipe de la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA) livrera la première version de son catalogue. Un titanesque index de 1,2 milliard d’étoiles dont seront précisées la position sur la voûte céleste et la magnitude. Du jamais-vu de mémoire d’astronome !

Le retour en grâce de l’astrométrie

Lancé le 19 décembre 2013, depuis la base de Kourou, en Guyane, le satellite Gaia est dédié à l’astrométrie. Cette branche de l’astronomie, dont les origines remontent à l’Antiquité, se consacre à la mesure de la position et du mouvement des astres. C’est à elle que l’on doit la preuve que la position des étoiles dans le ciel n’est pas immuable, mais qu’il s’agit de corps en déplacement, situés à des distances gigantesques. Sans la connaissance de l’éloignement de ces objets, les astronomes ne pourraient pas évaluer leur luminosité intrinsèque ni donc accéder à certaines de leurs propriétés physiques. L’énergie rayonnée par les étoiles dépendant de leur masse et de leur âge, une bonne partie du savoir sur la diversité des astres du cosmos repose sur l’astrométrie !

Triomphante au XVIIe siècle et au XVIIIe siècle, cette discipline est un temps passée de mode en raison de ses limites instrumentales. La méthode qui permet de calculer précisément les distances, appelée parallaxe trigonométrique, était assez complexe à mettre en œuvre et s’avérait entachée d’erreurs dues à la présence de l’atmosphère, qui perturbe la propagation des rayons lumineux. Il faudra attendre 1989, et le lancement par l’ESA d’Hipparcos, le premier satellite d’astrométrie spatiale, pour s’affranchir de cette source d’erreur et redonner à l’astrométrie un rôle crucial dans l’astrophysique. Là où le catalogue de l’astronome grec Hipparque répertoriait au IIe siècle avant notre ère 1 000 astres, celui établi en 1997 par le satellite Hipparcos en recensait 100 000, auxquels plus tard se sont ajoutés deux autres millions d’étoiles.

Plus qu’un simple inventaire

La tâche assignée à Gaia est de faire encore mieux avec un inventaire de plus d’un milliard de corps célestes, dont il s’agit non seulement de trouver la trajectoire sur la voûte céleste et de mesurer leur distance, mais également d’établir, pour 150 millions d’entre eux, la vitesse à laquelle ils s’éloignent ou se rapprochent de nous. L’idée étant de disposer d’un grand échantillon pour chaque famille d’astres, permettant ainsi une étude séparée de chacune des différentes populations stellaires.

Cet énorme

répertoire

va permettre

d’améliorer

nos connaissances

sur la structure

et la dynamique

de la Voie lactée. Gaia devrait aussi préciser l’orbite de centaines de milliers d’astéroïdes et détecter la présence de milliers d’exoplanètes de la taille de Jupiter. De plus, il doit permettre l’identification de millions d’étoiles doubles et variables et de dizaines de milliers de « naines brunes ». Par ailleurs, la mission ne se limitera pas à notre galaxie et prendra en compte pas moins de 6 000 supernovæ et 500 000 quasars. En précisant l’âge de ses différentes sous-parties de notre environnement galactique et en apportant des informations inédites sur la matière noire qui l’englobe, cet énorme répertoire permettra de dresser une carte à trois dimensions précise et d’améliorer ainsi nos connaissances sur la structure et la dynamique de la Voie lactée. Notamment, il pourrait enfin servir à tester certains principes de la relativité générale.

Un instrument d’une précision inédite

Pour atteindre cet objectif, l’équipe de Gaia compte sur la qualité hors norme de son satellite. Conçu et réalisé par Astrium Satellites avec la participation de nombreux sous-traitants européens, l’engin spatial de 2 tonnes est doté de deux télescopes pointant dans des directions différentes du ciel et séparées par un angle constant de 106,5°. Les 106 détecteurs haute performance qui l’équipent confèrent à cet instrument la sensibilité nécessaire pour lui permettre de discerner des étoiles 400 000 fois moins brillantes que celles perceptibles à l’œil nu !

En suivant le déplacement de la Terre, Gaia balaie l’ensemble du ciel. Grâce à ses trois instruments, astrométrique, photométrique et spectrométrique, il analyse systématiquement – jusqu’à 70 fois durant le temps de la mission – la lumière des astres les plus brillants de la voûte céleste. Gaia génère ainsi une énorme quantité de données qui, une fois reçues sur Terre, sont dépouillées au sein d’un consortium scientifique DPAC (Data Processing and Analysis Consortium) réunissant 450 ingénieurs et astronomes de 25 pays, dont la France. « Répartie dans différents groupes spécialisés, cette masse d’informations, équivalente à 70 téraoctets, est traitée avant d’être validée par un comité scientifique », explique Frédéric Arenou, du laboratoire Gepi , responsable de la validation des résultats.

1,2 milliard d’étoiles déjà répertoriées

Le catalogue qui sera révélé au mois de septembre est le fruit du travail de ce réseau. Restreint pour l’instant aux observations réalisées entre le 25 juillet 2014 et le 16 septembre 2015, il ne contient à ce stade qu’une fraction des informations qui seront disponibles dans la version finale de la bibliothèque de Gaia.

Le catalogue ne

contient à ce stade

qu’une fraction des

informations qui

seront disponibles

dans la version

finale de la

bibliothèque. En effet, certains paramètres comme la vitesse d’éloignement des étoiles ou la liste des astres doubles, des astéroïdes et des exoplanètes nécessitent de comparer des observations séparées dans le temps. Aussi faudra-il pour les connaître attendre les prochaines livraisons du DPAC. La présentation de ces résultats constitue un réel tour de force compte tenu des difficultés de la mission. « Dans les jours qui ont suivi le lancement du 19 décembre 2013, l’équipe a eu la désagréable surprise de constater des défauts sur certains des systèmes du satellite », raconte François Mignard, membre du Gaia Science Team de l’ESA. Présence de lumière parasite sur les capteurs des caméras, légère déformation du bloc optique et phénomène inattendu de condensation : autant de problèmes qui ont entraîné un retard de trois mois sur le calendrier prévu de la mission.

Toutefois, celle-ci est d’ores et déjà un succès. Le catalogue décrit déjà la position de 1,2 milliard d’étoiles et de 250 000 quasars ou noyaux actifs de galaxies ; et cela à quelques millisecondes d’arc près (à peu près l’angle sous lequel on verrait une pièce de 1 euro placée à 4 000 kilomètres), soit une précision 100 fois supérieure à tout ce qui avait été réalisé jusqu’à présent. Pour chacun de ces objets, il indique également sa magnitude ou luminosité apparente.

Là ne s’arrête pas la performance. L’équipe de Gaia a, en effet, eu l’idée de croiser dans le cadre d’un programme ad hoc, baptisé TGAS , son catalogue avec celui établi vingt-cinq ans plus tôt par le satellite Hipparcos. Ce qui a permis de déduire non seulement la vitesse de déplacement de ces astres sur la voûte céleste mais également leur distance. Multipliant par vingt le nombre d’objets dont ces caractéristiques sont connues, et cela en une seule année d’observation !

Un apéritif gargantuesque pour les astronomes qui attendent maintenant la prochaine livraison de la mission Gaia dont la fin est, pour l’instant, programmée en juillet 2019.