Le satellite Gaia dans l'usine toulousaine d'Astrium en juin 2013, deux mois avant son départ pour la Guyane française. Cet double télescope spécialisé dans l'astrométrie rejoindra le point de Lagrange L2 autour duquel sa trajectoire sera une courbe de Lissajous, en forme de 8. © Rémy Decourt

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Gaia, un télescope spatial d'une précision inégalée

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L'imposant satellite Gaia (deux tonnes, deux télescopes, dix miroirs), qui vient d'arriver en Guyane pour son prochain lancement, va étudier plus d'un milliard d'objets célestes par des techniques d'astrométrie, fournissant des données sur leurs positions, leurs distances et leurs vitesses. Prenant la suite d'Hipparcos, il en multiplie les performances par un facteur 100, essentiellement grâce à une qualité première : il ne bouge ni ne vibre.

L'astrométrie, ou astronomie de position, qui consiste à scruter la position des astres dans le ciel, était la seule technique des astronomes avant que Galilée n'ait l'idée de pointer sa lunette vers la voûte céleste. Toujours fondamentale aujourd'hui pour étudier le mouvement des astres, des astéroïdes aux galaxies et pour préciser les systèmes de coordonnées, elle est peu pratiquée depuis l'espace.

Dans ce domaine, le satellite Hipparcos fut le précurseur. En 1989 il a ouvert ouvert la voie à l'astrométrie spatiale de haute précision, en améliorant les performances d'un facteur 50 par rapport aux instruments terrestres. Lorsqu'au début des années 1990, les scientifiques réfléchissent à son successeur, il est question d'obtenir une précision astrométrique 100 fois supérieure à celle d'Hipparcos.

Au premier plan, la structure porteuse des panneaux solaires du satellite Gaia que l'on aperçoit à droite de l'image. © Rémy Decourt

Stabilité et précision : la clé du succès de la mission

En 2000, l'Agence spatiale européenne en fait une priorité et sélectionne le satellite Gaia, que nous avons décrit récemment, comme la « pierre angulaire de son programme scientifique horizon 2000 ». Treize ans plus tard, le satellite est construit et prêt à être lancé. En août, il a rejoint son site de lancement en Guyane d'où il décollera, installé dans la coiffe d'une fusée russe Soyouz. Il aura pour pour principale mission de cartographier en trois dimensions la Voie lactée.

Lorsqu'en 2006, l'Agence spatiale européenne confie à Astrium le développement et la construction du satellite d'astrométrie Gaia, l'industriel européen sait qu'il va devoir retrousser ses manches et innover. En effet, compte tenu des spécifications imposées par l'Agence spatiale européenne, instruments et servitudes du satellite devront offrir une stabilité quasi parfaite.

Pour réaliser de bonnes mesures d'astrométrie, il faut en effet bien connaître la position de l'instrument lui-même. Dans l'espace, le problème est ardu. Un satellite suit plus ou moins bien sa trajectoire et subit des chocs internes, dus aux vibrations des moteurs ou aux mouvements de trappes et autres structures mobiles. Tous les occupants de la Station spatiale internationale racontent les bruits et les tremblements que l'on y ressent en permanence.

Or, les performances demandées à Gaia, qui doivent effectivement améliorer celles d'Hipparcos d'un facteur 100, ne s'accommoderaient pas de telles instabilités. Gaia, expliquent ses concepteurs, est capable de mesurer « depuis la Lune l'ongle du pouce d'une personne sur Terre » ou encore « le diamètre d'un cheveu à mille kilomètres ». Ses deux télescopes, grâce à une série de miroirs, offrent une longueur focale de 35 m. Leur lumière se rencontre sur les capteurs, au plan focal. Là, sur une surface de 0,4 m2, se trouve le capteur comportant 106 détecteurs CCD portant près d'un milliard de pixels. Il sera le plus grand plan focal utilisé dans l'espace.

Ingénieur d'Astrium travaillant sur un des panneaux solaires de Gaia. © Rémy Decourt

Le satellite le plus calme

Sans une stabilité remarquable de l'ensemble, ces magnifiques instruments seraient inutiles. Pour que la précision voulue soit atteinte, il faut faire la chasse aux vibrations et en éliminer toutes les sources. C'est la première fois qu'un satellite est intégralement conçu avec cet objectif, chaque élément, panneau solaire ou moteur électrique, étant réalisé avec cette contrainte.

Avec cette stabilité, l'emplacement est la deuxième clé du succès de Gaia. En effet, il sera situé sur le point L2, un des cinq points de Lagrange du système Soleil-Terre. Installé l'un de ces points, un corps, par exemple un satellite, reste suit une trajectoire très stable autour du Soleil à 1,5 million de kilomètres de la Terre. Ces emplacements sont d'ailleurs très convoités par les missions spatiales d'observation astronomique requérant une très grande stabilité de pointage.

Cependant, des corrections de trajectoire seront nécessaires. Pour le contrôle d'attitude, Astrium a conçu un système micro-propulsif, avec perturbations minimales, qui utilise une propulsion à gaz froid (de l'azote). La performance de pointage peut grâce lui être ajustée en continu.

On retrouve ce besoin de stabilité dans le choix du carbure de silicium. Très dur, peu sensible aux variations thermiques et léger, il est utilisé pour les miroirs et pour la structure des télescopes. Astrium l'avait déjà employé pour le miroir du satellite Herschel. On retiendra que Gaia sera le premier satellite à embarquer des pièces structurales en carbure de silicium. On retrouve d'autres innovations et technologies de pointe : une horloge atomique (similaire à celles embarquées sur les satellites du système de navigation Galileo) et une antenne RF de transmission des données vers la Terre avec balayage électronique pour éviter tout mécanisme qui engendrerait des vibrations.

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