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Les missions de Gaia, le satellite d’astrométrie européen

Gaia est le satellite d’astrométrie le plus évolué jamais construit que nous jalouse les Américains. Construit par Astrium, il sera lancé en novembre 2013 par un lanceur Soyouz depuis le Centre spatial guyanais et succédera à Hipparcos (1989-1993), également construit par Astrium. François Mignard, directeur de recherche au CNRS, nous explique les principaux objectifs scientifiques.

Construit par Astrium, le satellite Gaia embarquera le meilleur de la technologie européenne pour comprendre les origines et l’évolution de l’univers, à l'aide de la mesure ultraprécise des étoiles de la Voie lactée. © Rémy Decourt Construit par Astrium, le satellite Gaia embarquera le meilleur de la technologie européenne pour comprendre les origines et l’évolution de l’univers, à l'aide de la mesure ultraprécise des étoiles de la Voie lactée. © Rémy Decourt

Les missions de Gaia, le satellite d’astrométrie européen - 4 Photos

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Si Hipparcos avait ouvert la voie à l'astrométrie spatiale de très haute précision, en améliorant les performances au sol par un facteur 50, Gaia va révolutionner la discipline en matière de nombre d'étoiles recensées et de précision des mesures. Ainsi, le nombre d’étoiles référencées passera de 118.000 à un milliard !

La mission de Gaia consistera à cartographier en 3D la Voie lactée de façon à mieux comprendre l’origine et l’évolution de l’univers. Pour cela, il tournera sur lui-même en six heures, et observera tout ce qui passe devant ses deux télescopes. Ces données vont également permettre des « avancées significatives dans de nombreux secteurs de l’astronomie », nous explique François Mignard, directeur de recherche au CNRS et premier responsable du consortium de traitement des données pendant sept ans.

Gaia va dresser la carte la plus détaillée de notre Galaxie, la Voie lactée, et en révéler des zones inconnues.
Gaia va dresser la carte la plus détaillée de notre Galaxie, la Voie lactée, et en révéler des zones inconnues. © DR

Gaia, ou l’observation de l’univers depuis le point de Lagrange L2

Pour réaliser sa mission, Gaia sera situé sur le point de Lagrange L2, à 1,5 million de kilomètres de la Terre. De cet endroit, il bénéficiera d’un environnement thermique stable et demeurera en position constante par rapport au Soleil et à la Terre. Cette stabilité lui permettra de « mesurer avec une très grande précision la position et la vitesse d’une étoile de la Voie lactée ou des objets situés aux confins de l’univers ». Surtout, il ne sera pas gêné par les lumières solaires et terrestres, qui seront toujours à plus de 45° des directions visées par le satellite.

Ce satellite ne va pas seulement mesurer la position des étoiles, il va également « bousculer nos connaissances dans de nombreux autres domaines ». Ainsi, les quasars de Gaia vont servir de « phares angulaires », l’orbite des astéroïdes sera mieux connue, ce qui « permettra de se faire une idée beaucoup plus précise sur les risques de collisions avec la Terre », et il sera possible de mieux appréhender « la forme de quelque 20 à 30 millions de galaxies lointaines ». Enfin, compte tenu des performances du satellite, « on s’attend à des découvertes et des surprises », sans qu'il soit possible d'en prévoir la nature.

Borner l’univers

Gaia va réaliser le relevé de quasars le plus précis et le plus grand jamais effectué. À ce jour, 150.000 sont connus, et le satellite Gaia « devrait en référencer environ 500.000 ». Mais ce ne sera pas simple. Pour discerner un quasar d’une étoile, Gaia ne peut compter que sur la qualité de la lumière, car ils apparaissent tous les deux sous la forme d’un point blanchâtre. D’un objet à un autre, « la distribution de la lumière dans les couleurs est différente ».

L’intérêt porté aux quasars vient du fait qu’ils se trouvent à l'extérieur de la Voie lactée, et qu’ils n’ont aucun mouvement relatif les uns par rapport aux autres, « à la différence des étoiles de la Galaxie, qui sont entraînées dans le mouvement général de la Galaxie ». François Mignard explique que « cela va nous permettre d’étudier la rotation de la Galaxie ». En termes plus simples, à cause de leur éloignement, les quasars s’apparentent à des repères lumineux fixes les uns par rapport aux autres. Ils seront utilisés comme bornes cosmiques, de façon à donner des directions pour étalonner le ciel précisément, « comme des bornes sur les routes qui indiquent distances et directions ». Dans ce cas, les informations données seront des directions exprimées en degrés.

Au centre de l’image, on distingue le quasar MC2 1635+119 et sa galaxie hôte. De tels quasars serviront de repères à Gaia dans son étalonnage du ciel.
Au centre de l’image, on distingue le quasar MC2 1635+119 et sa galaxie hôte. De tels quasars serviront de repères à Gaia dans son étalonnage du ciel. © G. Canalizo, université de Californie à Riverside, Nasa, Esa

Les quasars vont donc « servir d’ossature du système de référence pour Gaia ». Ce système va ainsi permettre de « déterminer les coordonnées célestes (orientation et axes) de tous les autres objets référencés par Gaia ». Ce système sera d’une très grande fiabilité. Il faut savoir que si un quasar, utilisé comme borne, bougeait à une vitesse aussi grande que celle de la lumière « on ne verrait pratiquement pas leur mouvement dans le ciel » ! Par leur éloignement, ces objets ne peuvent pas manifester de façon nette un déplacement perpendiculaire sur le plan du ciel.

Surveiller les environs de la Terre

Plus proches de nous, les objets du Système solaire sont également au programme de Gaia. On estime qu’ils sont au nombre de 350.000, et 90 % d’entre eux sont déjà référencés. Ils ont été observés au moins une fois, et leurs principaux paramètres orbitaux et caractéristiques physiques sont connus.

À la différence des étoiles, qui sont pour ainsi dire fixes dans le ciel, les objets du Système solaire ont la bougeotte. Du jour au lendemain, ils se trouvent dans des directions totalement différentes. « Ils bougent plus vite que n’importe quel autre objet stellaire. » Gaia les verra passer comme des étoiles, mais c’est leur vitesse de déplacement qui permettra de les détecter. Seuls les objets suffisamment brillants seront détectés. Le satellite ne pourra discerner « des corps de deux kilomètres situés à moins de 150 millions de kilomètres, et des plus gros à des distances plus lointaines ».

Toutatis, ici vu par le radar de Goldstone, fait l'objet de toutes les attentions en raison de la difficulté que nous avons à connaître son orbite avec précision. Or, ce satellite coupe l'orbite de la Terre. Gaia va déterminer précisément ses paramètres orbitaux, et nous saurons peut-être quand surviendra la fin du monde...
Toutatis, ici vu par le radar de Goldstone, fait l'objet de toutes les attentions en raison de la difficulté que nous avons à connaître son orbite avec précision. Or, ce satellite coupe l'orbite de la Terre. Gaia va déterminer précisément ses paramètres orbitaux, et nous saurons peut-être quand surviendra la fin du monde... © Nasa, JPL, DP

De nouveaux objets seront évidemment découverts, « plusieurs milliers très certainement, mais ce n’est pas l’enjeu de la mission ». L’intérêt de Gaia, c’est qu’il peut observer à l’intérieur de l’orbite de la Terre, « ce qui est très difficile depuis le sol », et découvrir des géocroiseurs inconnus (des astéroïdes dont l'orbite coupe celle de la Terre). Surtout, Gaia va affiner d’un facteur 100 les paramètres orbitaux des objets connus qu’il observera plusieurs fois, « notamment ceux qui menacent la Terre ». Ainsi, Apophis sera vu une cinquantaine de fois, et le calcul de son orbite sera « déterminant pour faire de meilleures prévisions de sa trajectoire future ».

Découverte possible de petites galaxies très lointaines avec Gaia

Gaia sera également utilisé pour « observer de 20 à 30 millions de galaxies de petite taille et lointaines qui apparaissent comme des points lumineux ». Compte tenu de la distance de ces objets et malgré sa résolution, Gaia ne discernera évidemment pas les étoiles qui les forment. Au mieux, il verra une sorte de tache qui occupera environ cinq pixels. À partir de ces données sommaires, Gaia les classera selon des critères de forme (circulaires, elliptiques, très allongées) et les associera à des mesures de couleur et de position.

Depuis le sol, la réalisation d’un tel sondage du ciel serait fastidieuse et prendrait beaucoup de temps. « Surtout, cela n’intéresserait guère de scientifiques. » L’utilisation des données de Gaia à cet effet montre qu’avec un peu d’ingéniosité, il est possible de mettre en place « des programmes complémentaires qui ne nécessitent pas d’effort particulier des instruments ».


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