Cette image est extraite de la vidéo principale de l'article de Futura présentant initialement les positions actuelles dans le ciel pour 40.000 étoiles à moins de 100 parsecs (326 années-lumière) du Soleil vues par Gaia. Les points indiquent également la luminosité des étoiles. Les images suivantes montrent des traînées qui indiquent comment les étoiles changent de position sur le ciel à des intervalles de temps de 80.000 ans dans le futur pendant 1,6 million d'années. L'animation montre en fait les traînées d'étoiles seulement sur 400.000 ans dans le futur. © ESA/Gaia/DPAC, CC by-sa 3.0 IGO
Sciences

Les dernières révélations de Gaia sur la Voie lactée, sa structure et son histoire

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[EN VIDÉO] 1,8 milliard d'objets célestes cartographiés par Gaia  Le télescope spatial européen Gaia dévoile la première partie d'un catalogue de plus d'1,8 milliard d'objets célestes de notre galaxie, observés avec une précision inégalée ! 

La première partie du troisième catalogue stellaire de la mission Gaia est en ligne. Plus d'un milliard d'étoiles dans la Voie lactée ont fait l'objet de l'attention du satellite de l'ESA et les données qui ont été collectées sont un peu plus bavardes sur l'origine et la structure de notre Galaxie.

Les mathématiciens du XIXe siècle et du début du XXe siècle, tels Gauss, Fourier, Hamilton, Riemann et Hilbert (et bien d'autres qu'il serait fastidieux de nommer) ont construit implicitement une sorte de physique analytique avec des équations différentielles et aux dérivées partielles, linéaires et non linéaires, qui permet de montrer une profonde unité mathématique dans toutes les lois de la physique et donc aussi dans les objets auxquels s'appliquent ces lois.

L'un des concepts centraux de cette physique analytique est celui de champ d'une grandeur donnée. Si l'on considère les océans de la Terre et son atmosphère comme une série de volumes de petites tailles, dont on mesure les températures, les pressions, les vitesses de déplacement et les compositions chimiques, alors ces diverses grandeurs forment des champs de températures, vitesses, etc., dont les évolutions dans le temps et l'espace sont décrites par des équations de la physique analytique. On en a esquissé très succinctement la description précédemment, on peut aussi s'en faire une petite idée en lisant les ouvrages des Jeffreys et de Courant-Hilbert.

Sur cette vidéo sont reconstitués sur ordinateur, les mouvements et les courants complexes dans les océans de la Planète. On peut les définir par des champs de vecteurs sur une sphère donnant la direction et la vitesse des écoulements d'eau. Les équations gouvernant dans le temps et l'espace les modifications de ce champ de vecteur vitesse décrivent l'évolution des courants océaniques. Des équations similaires avec d'autres champs de vecteurs, ou des champs scalaires comme la température, la densité de l'eau, sont utilisées en physique. On peut même dire que toute la physique s'écrit avec des champs et des équations de champs. © Nasa Explorer, YouTube

Des champs cosmiques dans un fluide d'étoiles

Les météorologistes peuvent se servir de ces champs et de leurs équations pour prédire le temps qu'il va faire et les climatologues peuvent aussi s'en servir, en conjonction avec des données géophysiques et géochimiques archivées dans les strates et les roches de notre Planète bleue, pour reconstituer les climats du passé et prédire, dans une certaine mesure, ceux de l'avenir. Mais il faut pour cela disposer de puissants ordinateurs et aussi de larges collections de données concernant les valeurs des champs en différents points de la Terre.

Les astrophysiciens ont entrepris de faire de même avec notre Voie lactée. Elle peut être considérée, comme ils disent dans leur jargon, comme un fluide autogravitant d'étoiles. On peut donc imaginer reconstituer la répartition de ce fluide, mesurer ce que l'on pourrait appeler son champ de vitesses cosmiques ainsi que la composition des étoiles formant ce fluide pour plonger dans le passé et le futur de notre Galaxie.

La mission d'astrométrie Gaia de l'ESA a justement pour but de rendre tout ceci possible et donc de fournir également une sorte d'archéologie cosmique de la Voie lactée. Mais, pour cela, il faut donc nourrir les ordinateurs avec les positions et les vitesses de plus d'un milliard d'étoiles dans notre Galaxie. L'ESA vient de publier la première partie du troisième catalogue des mesures concernant le fluide d'étoiles galactiques de la Voie lactée, le Gaia EDR3 (Gaia Early Data Release 3).

Ces mesures sont plus nombreuses et plus précises que celles déjà rendues publiques ces dernières années avec les deux précédents catalogues de Gaia.

En 2018, le second catalogue de la mission Gaia avait été publié et Euronews avait déjà interviewé certains des chercheurs membres de cette grande aventure scientifique pour nous la présenter. La première partie du troisième catalogue de Gaia permet aujourd'hui d'aller plus loin. © European Space Agency, ESA

Gaia dispose de divers instruments de mesure lui permettant de mesurer les positions et vitesses radiales des nombreux astres, bien sûr des étoiles, mais aussi des petits corps dans le Système solaire dont les astéroïdes. Gaia mesure également des spectres et des luminosités d'étoiles, ce qui permet de remonter à leur température, leur composition chimique dans une certaine mesure et leur couleur.

À partir des mesures de positions des étoiles prises au cours d'une année en orbite autour du Soleil, la méthode de la parallaxe stellaire permet de déterminer les positions des étoiles, en particulier les plus proches dans la Voie lactée. Connaissant leurs luminosités apparentes et leurs distances, on peut déterminer leurs luminosités intrinsèques et cela complète les mesures de température et l'obtention d'un spectre permettant, au final, de dresser une carte d'identité de nombreuses étoiles et même de plonger sous leur surface pour mieux comprendre l'état de convection de leur plasma, et comment les éléments chimiques s'y diffusent. On pourra ainsi affiner la théorie de la structure et de l'évolution stellaire.

La mesure des vitesses radiales est particulièrement intéressante car c'est justement par cette méthode que l'on peut détecter des exoplanètes et donner des estimations de leurs masses. On peut faire de même avec des étoiles binaires dont certaines se révèlent d'ailleurs uniquement par les décalages Doppler dans les spectres mesurés, résultant des mouvements oscillants induits par l'une des étoiles sur l'autre. On parle alors de binaires spectroscopiques par opposition aux binaires visuelles où la résolution d'un instrument montre clairement deux composantes séparées.

Deux schémas montrant la structure de la Voie lactée, une spirale barrée de 100.000 années-lumière de diamètre avec des amas globulaires (globular clusters), le Soleil (sun) et des vieilles étoiles dans son halo et son bulbe (bulge). © ESA

La banlieue stellaire du Soleil cartographiée comme jamais

Le catalogue de l'astronome grec Hipparque, pionnier de la méthode de la parallaxe, répertoriait au IIe siècle avant notre ère environ 1.000 astres, celui établi en 1997 par le satellite Hipparcos, le prédécesseur de Gaia, en recensait 100.000. En ce mois de décembre 2020, le nouveau catalogue donne des informations sur plus de 1,8 milliard d'astres dans la Voie lactée et le Système solaire mais pas seulement. Déjà, en 2018, les données de Gaia concernaient également 250.000 quasars, ou noyaux actifs de galaxies, dont les positions sur la voûte céleste étaient déterminées avec une précision époustouflante, à quelques millisecondes d'arc, soit à peu près l'angle sous lequel on verrait une pièce d'un euro placée à 4.000 kilomètres.

Parmi les étoiles dont on connaît mieux les distances, on trouve des Céphéides. Or, ces étoiles sont des indicateurs standards de distance utilisés pour évaluer celles des galaxies les plus proches où se trouvent des supernovae qui servent également de chandelles cosmiques en cosmologie et qui ont permis de découvrir l'expansion accélérée du cosmos observable. Mieux connaître les Céphéides, c'est donc mesurer in fine avec plus de précision cette accélération, car la baisse des erreurs de mesures se propage sur toute l'échelle des chandelles standards utilisées pour arpenter l'Univers.

Une visualisation de l'importance du catalogue Gaia des étoiles proches (GCNS) par rapport aux catalogues précédents. Les couleurs indiquent l'étendue de ceux basés sur des observations au sol (ground bases) et avec Hipparcos, le prédécesseur de Gaia. Les distances sont en parsecs (pc). © ESA/Gaia/DPAC, CC by-sa 3.0 IGO

Gaia nous permet également de compléter un catalogue des étoiles les plus proches du Soleil dans un volume dont le rayon est de 100 parsecs (326 années-lumière) avec 331.312 étoiles, soit 92 % de celles dont on estime qu'elles sont présentes dans ce volume. On se fera une idée du progrès accompli lorsque l'on se rappelle que le précédent catalogue, celui de Gliese-Jahreiss (du nom des astronomes Wilhelm Gliese et Hartmut Jahreiss) datant de 1957, et qui avait été mis à jour en 1991, ne contenait que 3.803 étoiles dans une sphère dont le rayon était de 82 années-lumière.

Des nouvelles traces d'interactions entre les galaxies

On attendait de Gaia des progrès dans le domaine de l'archéologie galactique et ils sont bel et bien là aussi dans la Gaia Early Data Release 3. On voit ainsi plus clairement où se trouvent les étoiles anciennes et les étoiles jeunes, ce qui confirme les modèles de croissance de la Voie lactée en identifiant la taille de l'ancien disque d'étoiles vieux de 10 milliards d'années, bordé plus tard d'étoiles plus jeunes.

On voit aussi, en regardant dans la direction de l'anticentre de la Voie lactée par rapport à la position actuelle du Soleil, ce qui semble être les effets perturbateurs sur les populations d'étoiles qui se trouvent dans la région externe du disque de notre Galaxie du passage rapproché de la galaxie naine du Sagittaire et sa possible quasi-collision avec la Voie lactée il y a de cela de 300 à 900 millions d’années.

Croquis de l'ensemble de la Voie lactée avec la direction de l'anticentre galactique indiquée, vu du Système solaire. Le volume sondé par la mission Gaia, et dont les résultats constituent son troisième catalogue, est indiqué. © ESA/Hubble, Sketch: ESA/Gaia/DPAC

Les astronomes tirent cette conclusion du fait que Gaia a mis en évidence une population d'étoiles à déplacement lent au-dessus du plan de notre Galaxie et qui se dirigent vers ce plan, et une autre population d'étoiles, à déplacement rapide sous le plan de la Voie lactée cette fois-ci et qui se déplacent vers le haut, dans sa direction.

Rappelons que la galaxie naine Sagittaire, qui contient quelques dizaines de millions d'étoiles, est actuellement en train d'être cannibalisée par notre Voie lactée.

Cette animation montre un courant d'étoiles allant du Petit Nuage de Magellan, en haut à droite, au Grand Nuage de Magellan, en bas à gauche. © ESA/Gaia/DPAC, CC by-sa 3.0 IGO

Le troisième catalogue de Gaia a aussi permis de mesurer pour la première fois le mouvement du barycentre du Système solaire par rapport à l'Univers observable, plus précisément à un référentiel défini avec plus d'un million de quasars, comme Futura l'expliquait dans un précédent article.

En bonus, les dernières observations de Gaia renouvellent notre connaissance des Nuages de Magellan qui forment un groupe de deux galaxies naines irrégulières visibles dans l'hémisphère Sud et voisines de la Voie lactée dont elles sont probablement des satellites, bien que ce soit plus ou moins encore en débat. Elles n'ont été connues des Européens qu'au XVIe siècle, lorsque Fernand de Magellan les a observées dans le ciel austral lors de son tour du monde. On a d'une part le Grand Nuage de Magellan qui est situé à environ 157.000 années-lumière du Soleil dans les constellations de la Dorade et de la Table, et, d'autre part, le Petit Nuage de Magellan, situé lui à environ 197.000 années-lumière dans la constellation du Toucan.

Gaia laisse deviner une structure spirale pour le Grand Nuage de Magellan et montre un courant d'étoiles du Petit Nuage de Magellan qui s'accrète sur le Grand.

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