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GAiA, bergère d’étoiles

Dans la mythologie grecque, au début était le Chaos, un peu notre Big-bang  où ne régnait que le désordre. De celui-ci émergèrent bientôt les divinités primordiales  dont la plus importante est Gaïa, déesse de la Terre et de ce qui l’entoure. Elle eut à son tour une nombreuse descendance qui se partagea la responsabilité de notre planète et de l’Univers.  Les dieux olympiens mirent ensuite Gaïa et ses Titans à la retraite, mais il est probable que la déesse a encore un œil sur les étoiles et leurs planètes qu’elle a engendrées.
Voilà pourquoi, l’Agence Spatiale Européenne  a pensé à Gaïa quand elle a voulu nommer la sonde qui devait dénombrer les étoiles de notre galaxie La Voie Lactée et les situer avec précision pour améliorer  les résultats brillants mais sommaires du satellite Hipparcos entre 1990 et 1993. Ensuite, on a trouvé que cela pouvait faire : Global Astrometric Interferometer for Astrophysics.

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LA DISTANCE DES ETOILES

La voute céleste se présente  comme ces planétariums où le ciel est exposé  au-dessus de nos têtes sur un plafond  hémisphérique. Les positions relatives des étoiles sont invariables et c’est toute la sphère céleste que nous voyons tourner  avec la rotation de la Terre. Nous savons bien qu’entre deux étoiles proches dans l’observation les distances à notre planète peuvent varier considérablement, mais comment les mesurer ? 
Il faut utiliser les informations que l’étoile donne aux astronomes. D’abord, sa position sur la sphère céleste et les déplacements  infimes qu’elle fait dans le temps et que l’on peut mesurer. Ensuite, le rayonnement  électromagnétique que nous recevons en termes de fréquence, d’intensité et de variations d’éclat. 

Analyse du spectre

L’étude des étoiles et des rayonnements visibles ou non qu’elles nous envoient a permis de les classer et de calculer ce que serait leur rayonnement si elles étaient à quelques 33 années-lumière de la Terre ( 10 parsec), c’est une référence appelée magnitude absolue. On mesure au télescope leur magnitude réelle et par le calcul  on en déduit leur distance. Cette mesure est peu précise, mais c’est la seule qui donne un ordre de grandeur de la distance des galaxies lointaines.

Le cadeau des Céphéides

Les Céphéides sont des étoiles plus grosses que le soleil qui, du fait de leurs réactions internes ont la particularité d’avoir une luminosité variable selon une période fixe allant de quelques jours à une centaine de jours. De cette période, on peut déduire  leur magnitude absolue et comme précédemment, la mesure de  la magnitude réelle  permet de calculer la distance avec une assez bonne précision. Ces solutions sont intéressantes quand on ne peut pas appliquer une méthode simple de géomètre et de triangulation qui nous fait espérer des résultats plus précis : c’est la mesure des parallaxes.

Mesure de parallaxe

Quand on change de position pour observer un objet, on le voit différemment : c’est un effet de parallaxe. Pour les étoiles, cet effet est mesuré par l’angle sous lequel depuis cet astre on peut voir la distance Terre –Soleil c-à-d l’Unité astronomique (UA). Pour la mesure, le principe est simple. On fait l’observation en deux points opposés sur l’orbite terrestre (Eté-Hiver par exemple) . On construit un triangle qui permet de calculer la distance de l’étoile. Le diamètre de l’orbite terrestre est de 2 UA (unité astronomique), soit 300 millions de km, ce sera la base de notre triangle, l’étoile étudiée étant le sommet avec un angle qui se mesure en centièmes de seconde d’arc (quelques millionièmes de degré) et même en dehors de l’atmosphère au millième de seconde d’arc. L’exactitude est fonction de la précision des mesures et est évidemment meilleure pour les étoiles les plus proches.

Pour des millions d’étoiles, cette mission a été confiée à Hipparcos en 1990 puis relancée à une toute autre échelle avec Gaïa en 2014.

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DESCRIPTION DE GAIA

Le satellite Hipparcos avait donné sur les étoiles proches dans  notre galaxie des informations commençant à éclairer les astronomes sur cette Voie Lactée que nos télescopes ne voient que par la tranche. Il fallait faire beaucoup mieux et c’est ce que l’Agence Spatiale Européenne décida de faire avec le satellite Gaia.
Schématiquement, Gaia est un satellite de 2 tonnes réparties en 900kg pour la plate-forme, 700kg pour la charge utile et 400kg d’ergols et gaz  pour la propulsion et les corrections.

 

Plate-forme et position du satellite

L’extrême précision demandée à Gaia va conditionner la conception et la fabrication de toutes ses composantes de la structure aux propulseurs de correction à gaz froid. On va éviter tout ce qui peut perturber les mesures des télescopes : les vibrations, les changements de températures et les déformations. Aucune pièce mobile et des matériaux à faible coefficient de dilatation.
Le satellite est placé au point de Lagrange L2 (les attractions Terre et Soleil s’y compensent) à 1,5 million de km et ses instruments sont protégés du soleil par un parasol de 10 m de diamètre. Trois facteurs conditionnent  ses mesures :

  1. Il tourne sur lui-même en 6h et ses deux télescopes décalés de 106° observent successivement la même partie du ciel pour éliminer certains bruits.
  2. Son axe de rotation incliné de 45° sur la direction du Soleil tourne autour de cet axe et décrit un cône en 63 jours.
  3. Le satellite tourne avec la Terre sur son orbite autour du Soleil et au mieux,
    ses points d’observation sont séparés de 300 millions de km.

Ces trois mouvements du satellite lui permettent d’observer toute la sphère céleste.

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Charge utile

La charge utile est placée dans un cylindre de 3 m de diamètre sur 2 m de haut. On imagine sa complexité et les lecteurs les plus curieux se référeront à l’article ci-après pour une description plus complète.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Gaia_(satellite)#cite_note-1

Les capteurs sont les deux télescopes (Ouverture 1,45 x 0,50,  champ optique 1,7° x 0,6°, focale  35m)  dont les images sont ensuite traitées par un ensemble de prismes, miroirs, réseaux de diffraction, ….pour être exploités sur un plan focal de 1m x 0,5m. On obtient des images de 1 milliard de pixels. 

Ce remarquable dispositif  va alimenter les trois instruments qui remplissent la mission de Gaia :

Instrument astrométrique : position et déplacement des étoiles  (AF)

Instrument spectrophotométrique : intensité lumineuse dans 2 bandes spectrales. (RP et BP)

Instrument spectromètre (haute résolution) : vitesse radiale de certains objets. (RVS)

 

RESULTATS ATTENDUS

Ambitieux par la qualité des mesures, Gaia l’est aussi par la masse des données que le satellite va nous envoyer et qui demandera probablement de longues années pour être exploitée.

Opérations et durée d’exploitation

Lancé en décembre 2013, le satellite a d’abord du rejoindre le point de Lagrange L2. Un voyage de 1,5 millions de km qui a pris un mois. Ce fut ensuite la période pleine d’incertitude de la mise en service opérationnel. Pas moins de 6 mois de mesures, de tests et de corrections avant de déclarer Gaia apte à remplir sa mission. Les opérations sont dirigées par l’ESOC à Darmstadt en Allemagne  et c’est la station de Cerebros près de Madrid qui 11h par jour reçoit les données à 5 Mbits/s, ce qui est du Haut débit. Ce sont les résultats des 80 mesures astrométriques et 50 mesures spectrométriques que le satellite envoie chaque seconde.

Aujourd’hui, le programme est parti pour 5 ans, jusqu’en 2019 au moins et des millions d’objets auront été observés et auront donné en moyenne 70 mesures chacun.

 

Retombées diversifiées

Cette incursion de Gaia dans l’espace ne va pas concerner que les étoiles. Ce sont tous les objets spatiaux  qui seront observés. Il y a les exoplanètes qu’il révèlera par milliers, la liste des astéroïdes déjà longue qui se complétera de quelques dizaines de mille, la forme et les bras de notre galaxie, etc.
Beaucoup de mesures dans l’espace sont indirectes et  donnent des valeurs relatives qui ont besoin d’un support de référence bien connu pour être exactes. C’est le cas des Céphéïdes et des supernovas Ia. Gaia permettra de mieux connaître ces chandelles standard.
On peut même espérer plus en tirant de ses mesures des paramètres plus théoriques comme par exemple une vérification de la relativité générale  ou quelques informations sur la constante gravitationnelle.

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PUBLICATION DES MESURES

Les Catalogues

Pour Hipparcos les résultats forment un volumineux Catalogue qui ne concerne que 100.000 étoiles. Avec Gaia, il va falloir présenter près d’un milliard  d’objets vu le débit du satellite prévu pour au moins 5 ans. Cette opération s’avère d’une difficulté extrême, surtout avec l’objectif de fournir un premier Catalogue en 2020. Les données attendues pour un objet sont les coordonnées équatoriales (sur la sphère céleste), la parallaxe (distance) et la magnitude (éclat) dans 3 bandes (visible, bleu, infrarouge).

Un travail titanesque

Pour faire ses taches nombreuses, la déesse Gaïa disposait du soutien des titans. C’est un peu un travail de ce type qui est attendu des équipes pour exploiter les résultats de Gaia qui représentent 30 téraoctets. Faites le calcul ??
On l’a confié à une équipe internationale, le Consortium de traitement et d'analyse de données (DPAC) qui ne rassemble pas moins de 300 personnes, scientifiques, informaticiens, ingénieurs et techniciens. Des équipes spécialisées se partagent les divers domaines (  architecture système, simulation, traitement des données photométriques, etc) et 6 centres informatiques (DPC) installés à Madrid, Genève, Toulouse (au CNES), Turin, Barcelone et Cambridge assurent le traitement. Pour un Catalogue en 2020, il faut bien cela !

  

CONCLUSIONS

Traquer les étoiles n’est certes pas aussi palpitant que marcher sur Mars ou s’accrocher  à la peau d’une comète. Mais, ce petit parcours a au moins mis en évidence deux choses. L’une est qu’il y a surement plus à apprendre en sortant du pré carré de notre système solaire. L’autre est  l’admirable coopération, trop peu médiatisée,  des chercheurs, des ingénieurs, des informaticiens et  des techniciens pour lever le voile sur les mystères de notre Univers.

Les Amis devaient  parler de Gaia dans leurs Pages de la Quinzaine et donner ce coup de chapeau.

 

Textes : Jack Muller - Illustrations: Internet

crédits image: http://hubblesite.org/gallery http://www.esa.int/