Carte du ciel à haute résolution basée sur les observations du satellite astrométrique Gaia, de l'ESA. Les niveaux de gris traduisent le nombre de sources détectées par unité de surface. Les zones les plus claires correspondent typiquement à 500.000 sources par degré carré (à peu près la dimension de l’amas Omega Centauri, vers le centre de la carte). La trace de la Voie lactée est bien visible et les zones sombres, avec peu de détections, révèlent les nuages de gaz et de poussières qui absorbent la lumière des étoiles. Les marques striées et les grandes structures plus ou moins ovales résultent du balayage du ciel par Gaia sur une durée de 14 mois et disparaîtront dans les versions suivantes. © ESA, Gaia, DPAC

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Le satellite Gaia nous offre la carte d'un milliard d'étoiles de la Voie lactée

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Grâce au satellite Gaia, les scientifiques ont catalogué en mille jours les positions de 1,15 milliard d'étoiles. Ce bel instrument a fourni, en prime, la vitesse et la distance par rapport au Soleil pour deux millions d'entre elles. L'ESA et le consortium de chercheurs et techniciens européens DPAC rendent publics les premiers résultats de cette mission. Rien de moins que la cartographie du ciel la plus précise et détaillée jamais réalisée.

Le satellite Gaia, lancé le 19 décembre 2013, tourne sur lui-même et autour du Soleil (avec la Terre, au point de Lagrange L2), tout en scrutant l'espace avec ses deux télescopes. Équipé de 106 capteurs qui forment l'équivalent d'un appareil photo d'une résolution d’un milliard de pixels, il observe ainsi quotidiennement 50 millions d'étoiles, avec dix mesures à chaque passage, ce qui représente une masse de 500 millions d'éléments chaque jour.

Cette quantité énorme de données a permis la présentation, le 14 septembre 2016, d'un catalogue des positions dans le ciel avec une précision qui va de 0,5 à 15 millièmes de seconde de degré de 1,142 milliard d'étoiles. À qu'un millième de seconde de degré correspond à l'angle sous lequel on verrait une pièce de 1 euro située à 4.000 km...

Les petits points blancs disséminés un peu partout sur la carte correspondent à des sources connues, des galaxies, des amas globulaires et des amas galactiques dont le nom le plus commun est indiqué au-dessus ou à côté de la source. Les deux galaxies très étendues dans l’hémisphère sud sont les Nuages de Magellan. Dans un petit point comme Messier 5 au milieu de la carte, Gaia a détecté plusieurs milliers d’étoiles. © ESA, Gaia, DPAC

Mieux comprendre l'histoire des étoiles de notre Voie lactée

Pourvu de 200 millions d'étoiles de plus qu'initialement prévu, ce catalogue va permettre aux chercheurs d'établir de précieuses statistiques sur les différents types d'astres qui seraient inexploitables sans un inventaire aussi vaste.

« Gaia est à la pointe de l'astrométrie, cartographiant le ciel avec une précision qui n'a jamais été atteinte auparavant » a souligné Alvaro Giménez, directeur scientifique à l'Esa.

Pour reprendre l'image de Jean-Pierre Luminet au sujet de cette ambitieuse mission, on peut comparer notre Galaxie, la Voie lactée, à une forêt, sauf qu'« au lieu d'avoir des arbres vous avez des étoiles ». Le botaniste qui les observe « va reconstituer l'histoire individuelle des arbres, puis l'histoire de l'ensemble de la forêt grâce à cet échantillon significatif des arbres à tous les degrés de leurs existences ». Tel est le travail de Gaia.

Animation montrant comment opère le satellite Gaia pour scanner la voûte céleste. © ESA

Un œil nouveau sur de lointaines étoiles en train de s'échapper

Dans cet échantillon, on y retrouve des données pour 250.000 quasars et 3.194 étoiles variables de type Céphéides et RR Lyrae, dont la plupart sont dans la galaxie naine voisine du Grand Nuage de Magellan. Pour ces étoiles, dont la luminosité varie et qui sont précieuses pour déterminer des distances cosmiques, la mission Gaia a livré leurs courbes de luminosité à dessein de mieux comprendre les phénomènes physiques qui les régissent.

« Ceci n'est que le début : nous avons mesuré la distance au Grand Nuage de Magellan pour tester la qualité des données et nous avons eu un avant-goût des améliorations spectaculaires que Gaia va bientôt apporter quant à notre compréhension des distances cosmiques », assure Gisella Clementini, de l'Istituto Nazionale di Astrofisica et de l'Observatoire astronomique de Bologne.

Les positions de deux millions d'étoiles ont également été combinées aux mesures effectuées il y a 23 ans par le satellite Hipparcos (ESA). La différence a permis de calculer la vitesse et la distance de ces astres par rapport à notre Système solaire. Ajoutons que les chercheurs du consortium se sont intéressés à plusieurs groupes d'étoiles jeunes de la Voie lactée afin d'évaluer les améliorations de la mission.

« Avec Hipparcos, nous ne pouvions analyser que la structure 3D et la dynamique des étoiles dans les Hyades, l'amas ouvert le plus proche du Soleil [les étoiles les plus brillantes de l'amas composent la tête du Taureau, NDLR], et mesurer les distances pour environ 80 essaims jusqu'à 1.600 années-lumière de nous, commente Antonella Vallenari de l'INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) et de l'Observatoire astronomique de Padoue. Mais avec les premières données de Gaia, il est maintenant possible de mesurer les distances et les mouvements des étoiles d'environ 400 groupes jusqu'à 4.800 années-lumière. Pour les 14 amas ouverts les plus prochesles nouvelles données révèlent de nombreuses étoiles étonnamment éloignées du centre de la grappe-parent, probablement en train de s'échapper pour aller peupler d'autres régions de la Galaxie. »

Reportage sur la mission Gaia. © ESA

Une vaste collaboration de 450 chercheurs, ingénieurs et informaticiens européens

La moisson des données utilisées dans ce catalogue s'est arrêtée en septembre 2015 mais, comme Gaia continue toujours d'en amasser, les chercheurs comptent comparer de la même manière les futures positions des étoiles à celles présentées ici. Ils devraient ainsi obtenir, vers fin 2017, la vitesse et la distance de ce milliard d'étoiles (représentant 1 % de la population galactique).

Les organismes français — principalement le CNRS, l'Observatoire de Paris, l'Observatoire de la Côte d'Azur avec la participation majeure du Cnes — jouent un rôle de premier plan dans cette mission et sont représentés par une centaine de chercheurs, ingénieurs et techniciens au sein du DPAC (Data Processing and Analysis Consortium) qui en compte au total 450, issus de 25 pays européens.

Ils participent aux nombreuses missions indispensables au succès de la mission : organisation des observations au sol nécessaires pour le traitement des données, fourniture des éphémérides du Système solaire, observation quotidienne du satellite Gaia lui-même par des moyens optiques (afin de connaître sa position et sa vitesse avec une précision extrême), validation des traitements des données, etc.

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Le lancement de Gaia  Le tir Soyouz VS06 a emporté l'observatoire spatial Gaia, le 19 décembre 2013, depuis le Centre spatial guyanais à Sinnamary. © Esa