Le première partie du troisième catalogue stellaire de la mission Gaia vient d'être rendu public par l'ESA. En fournissant des mesures encore plus précises des distances, mouvements et spectres des étoiles dans la Voie lactée, elle permet de faire de nouvelles révélations sur son histoire, son contenu en exoplanètes et aussi sur la forme exacte de l'orbite du Soleil autour du centre de la Voie lactée. Cette orbite trahit maintenant les mouvements du Soleil et de ses planètes par rapport à plus d'un million de quasars, à plusieurs milliards d'années-lumière.

L'astronomie a commencé avec des mesures de position d'astresastres sur la voûte céleste et les premières théories pour rendre compte de leurs mouvementsmouvements. Les Grec, notamment avec Hipparque, avaient même réussi à mesurer la distance de la TerreTerre à la LuneLune et de la Terre au SoleilSoleil mais il faudra attendre le XIXe siècle avec les premières mesures de parallaxe des étoiles pour que l'on commence à avoir une idée des distances dans la Voie lactéeVoie lactée.

Aujourd'hui, les héritiers d'Hipparque, reprenant sa méthode de la parallaxeparallaxe déjà perfectionnée par les astronomesastronomes français Joseph Jérôme Le François de Lalande (1732-1807) et l'abbé Nicolas Louis de La Caille (1713-1762) et en 1838 par leur collègue allemand Friedrich Bessel, sont devenus non seulement nettement plus ambitieux mais aussi plus performants comme le montre la mission d'astrométrie de l'ESAESA avec son satellite GaiaGaia dont le troisième catalogue stellaire vient d'être publié. Il s'agit de mesures sur parfois plus d'un milliard d'étoilesétoiles dans la Voie lactée et indiquant avec une précision sans cesse plus grande leur position sur la voûte céleste mais aussi leur distance, leur vitessevitesse ainsi que leur luminosité et une partie de leur spectre.


Clément Hottier, ATER à l’Observatoire de Paris - PSL, présente dans cette vidéo la mission Gaia, quelques mois avant l'arrivée de son troisième catalogue d’étoiles. © L'Observatoire de Paris

On peut en tirer de nombreux renseignements et, en particulier, en fouillant en quelque sorte les stratesstrates d'étoiles dans la Voie lactée, faire de l’archéologie galactique en retraçant certaines des étapes de l'évolution de notre GalaxieGalaxie. En effet, lors par exemple d'un passage rapproché et même d'une collision suivie parfois de fusionfusion entre des galaxies nainesgalaxies naines ou géantes, les orbites des étoiles dans la Voie lactée se trouvent perturbés et de nouvelles distributions d'étoiles avec des ensembles de vitesse bien caractéristiques se mettent en place. Gaia permet de mettre en évidence ces traces du passé qui renvoient par exemple à la galaxie naine Gaia-Encelade qui est entrée en collision avec notre Galaxie il y a environ 11,5 milliards d'années.

Comme le prouve le communiqué de l'ESA, il y a beaucoup de choses nouvelles dans le troisième catalogue de Gaia et l'une des découvertes mises en avant -- en utilisant notamment l'effet d'aberration stellaireaberration stellaire qui est présenté dans la vidéo ci-dessous -- est celle de la première détermination du mouvement du Système solaireSystème solaire par rapport en quelque sorte à l'UniversUnivers observable, et plus précisément par rapport à presque 1,6 million de grandes galaxies contenant des quasars et donc situés à des milliards d'années-lumièreannées-lumière de la Voie lactée.


Une présentation de la méthode de l'aberration stellaire et ses résultats avec la mission Gaia. Pour obtenir une traduction en français, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © ESA Gaia Mission

Un effet d'aberration stellaire cosmique

Il n'y a pas de mouvements absolus dans l'Univers et on se doit donc de définir un référentielréférentiel par rapport auquel on décrit un mouvement donné. On peut prendre le barycentrebarycentre des massesmasses du Système solaire comme origine d'un repère et d'un référentiel pour décrire les mouvements des planètes dans le Système solaire. Mais, tout comme la rotation de la Terre affecte les mouvements à sa surface, ces mouvements planétaires sont affectés également par le fait que ce barycentre est lui-même en mouvement par rapport à celui de la Voie lactée.

Les effets sont faibles mais ils sont bien là et il y a presque deux siècles, l'astronome britannique John Pond avait discuté, pour la première fois en 1833, d'un effet d'aberration stellaire mesurable sur Terre en relation avec son mouvement par rapport à une sorte de référentiel absolu défini par des étoiles lointaines fixes, au moins en pratique.

Rappelons que le phénomène d'aberration stellaire en rapport avec le mouvement de la Terre autour du Soleil avait été observé et mesuré en 1727 par un autre astronome britannique, James Bradley, et qu'il s'agissait en fait de la première vraie preuve du mouvement de la Terre autour du Soleil.

Cet effet n'est pas difficile à comprendre si l'on imagine la lumière comme une pluie de particules. Pour un observateur au repos avec un parapluie sous une averse et des gouttesgouttes tombant verticalement, le parapluie le protège, mais s'il se met à courir, son mouvement propre conduit les gouttes à se mouvoir par rapport à lui comme si elles étaient inclinées et ce d'autant plus vite que l'observateur se déplace rapidement. En transposant l'analogieanalogie à la lumière, dont la vitesse était connue à l'époque de Bradley et qui était considérée comme formée de particules, on pouvait donc se servir de ce phénomène pour démontrer que la Terre était bien en mouvement autour du Soleil et comment -- la théorie ondulatoire de la lumière conduit au même effet de sorte que les calculs de Bradley n'étaient en fait pas faux avec son modèle corpusculaire.

En effet, cela va se traduire par des modifications de la position des étoiles sur la voûte céleste au cours d'une année selon un mouvement bien précis.


Les positions de 3.000 quasars sont affichées et, en accéléré, leur mouvement (pas les vraies observées par Gaia mais des quasars avec des positions réparties aléatoirement dans le ciel). Ensuite, les vecteurs de mouvement appropriés sont affichés. Enfin, le mouvement est activé en l'exécutant 25 millions de milliards de fois plus vite (ou 2,5 * 1016) que dans la réalité. Les quasars semblent se rapprocher de la direction de l'accélération, près du centre galactique. C'est un effet secondaire des mouvements extrêmement exagérés pour permettre de démontrer l'effet d'aberration.  © ESA / Gaia / DPAC - CC by-sa 3.0 IGO

Les mesures très précises de Gaia et d'autres mesures concernant les mouvements du Soleil dans la Voie lactée permettent d'isoler l'effet d'aberration produit par le mouvement de la Galaxie par rapport au 1,6 million de quasarsquasars dans l'effet total d'aberration mesuré et donc en fait, le mouvement du barycentre du Système solaire par rapport à ces quasars.

Au final, on obtient une meilleure détermination de l'orbiteorbite du Système solaire autour du barycentre de la Voie lactée et qu'un écart, par rapport à ce que l'on attendrait si la Galaxie n'était pas en mouvement par rapport aux quasars, est mesurable et mesuré et qu'il est d'environ 0,1 nanomètrenanomètre vers le centre galactique en raison d'une accélération d'environ 0,23 nanomètre/s2 vers le point de coordonnées célestes (α 269,1 degrés, δ -31,6 degrés), à quelques degrés du centre galactique.

On se fera une idée de la performance atteinte avec Gaia en se rappelant que le diamètre de l'atomeatome d'hydrogènehydrogène est d'environ 0,1 nanomètre justement !