Gaia ouvre l'accès à la Voie lactée en 3D et en couleur
Publié par Adrien le 26/04/2018 à 00:00
Source: Observatoire de Paris
450 scientifiques issus de 20 pays ont coordonné leurs efforts pour traiter et rendre exploitables les milliards de données brutes recueillies par le satellite Gaia. Il en résulte un trésor inestimable de paramètres astronomiques pour près de 1,7 milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999 999) et précède un milliard un...) d'étoiles, que l'ESA a ouvert à tous le 25 avril 2018, à 12h. Avec des répercussions attendues dans toutes les disciplines astrophysiques, ce Catalogue Gaia, deuxième du nom, bouleverse notre représentation de la Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.), dont il permet la cartographie (La cartographie désigne la réalisation et l'étude des cartes géographiques. Le principe majeur de la cartographie est la représentation de données sur un support réduit représentant...) en couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).), dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) et tridimensionnelle, la plus détaillée jamais réalisée à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...). La France est le premier pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas...) contributeur de la mission Gaia.


L'observatoire spatial Gaia. Illustration: ESA

Le satellite Gaia (Le satellite Gaia est une mission astrométrique de l'Agence spatiale européenne (ESA) devant observer plus d'un milliard d'objets jusqu'à la magnitude 20. En déterminant de manière...) a été lancé le 19 décembre 2013, avec pour objectif d'observer plus d'un milliard d'étoiles de la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la galaxie dans laquelle se situent le Système solaire...) (soit environ un pour cent des objets qui la composent) et de mesurer leurs positions, distances, mouvements et propriétés physiques avec une précision inégalée.

C'est désormais chose faite grâce au travail coordonné de chercheurs issus de 20 pays, réunis au sein du Consortium pour le traitement et l'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens pouvant exister...) Gaia (DPAC) de l'ESA.

Gaia exécute 500 millions de mesures par jour. Pour chaque objet céleste (Un astre, ou objet céleste est un objet de l'Univers. Les règles d'accès et d'utilisation de ces corps sont régies par le droit de l'espace.) observé, il stocke à son bord toutes les informations enregistrées. Celles-ci sont ensuite transmises aux stations sol de l'ESA en Espagne, en Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de l’hémisphère Sud dont la superficie couvre la plus grande partie de...) et en Argentine, puis redistribuées au sein du consortium qui, organisé en Unités de coordination (CU), se charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) de les convertir en informations scientifiquement significatives.

Dans ce dispositif, la France a joué un rôle prépondérant avec une centaine de chercheurs et ingénieurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), des observatoires et des universités, ayant assuré 40% du traitement des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.), et le Centre national d'Etudes spatiales (CNES), qui a mis en place un centre de traitement de "big data".

Le premier catalogue de Gaia a été publié le 14 septembre 2016. Il incluait la position et l'éclat de 1 100 millions (1,1 milliard) d'étoiles, mais les distances et les mouvements pour deux millions d'étoiles les plus brillantes seulement.

Le 25 avril 2018, paraît le catalogue Gaia DR2, établi après 22 mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) d'observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) seulement (juillet 2014-mai 2016).

Gaia DR2 contient:
- 1,7 milliard positions d'étoiles sur le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) et brillance;
- 1,3 milliard de distances et mouvements propres d'étoiles;
- 7,2 millions de vitesses radiales;
- 500 000 courbes de lumières d'étoiles variables;
- 500 000 quasars, ce qui permet de définir pour la première fois le référentiel céleste en utilisant des observations optiques de sources extragalactiques;
- 160 millions de températures de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) et 77 millions de rayons et luminosités d'étoiles. À l'aide de ces paramètres, on a pu par exemple trouver 120 000 jumeaux du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la...);
- 14 000 astéroïdes.

Attendu par les astronomes du monde (Le mot monde peut désigner :) entier, ce catalogue ouvre une nouvelle ère (Une nouvelle ère (1/2) et Une nouvelle ère (2/2) sont des épisodes de la série télévisée Stargate Atlantis. Ce sont les deux premiers épisodes de la série (et donc de la saison 1). Il fait...) pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) en astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec la...). En combinant données astrométriques, photométriques et spectroscopiques, Gaia apportera une moisson inédite d'informations sur notre Galaxie permettant ainsi une étude détaillée de sa structure en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.), de sa cinématique (En physique, la cinématique est la discipline de la mécanique qui étudie le mouvement des corps, en faisant abstraction des causes du...), de son origine et de son évolution.

Parallèlement à l'ouverture des données, une série d'articles scientifiques est publiée dans la revue Astronomy and Astrophysics, à partir du 25 avril 2018. Ces études ont été menées afin de valider la qualité du nouvel ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) de données et démontrer tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le potentiel de Gaia.

Traitement spectroscopique

Les données Gaia DR2 contiennent le tout premier catalogue de vitesses stellaires radiales obtenues avec le spectrographe embarqué Radial Velocity Spectrometer (RVS), avec une précision bien supérieure aux attentes. Ce catalogue de vitesses radiales pour 7,2 millions d'étoiles est le plus grand au monde et le seul à couvrir l'ensemble de la sphère céleste (La sphère céleste est une sphère imaginaire de rayons quelconques et dont le centre est occupé par la Terre. Ce concept astronomique, hérité de l'antiquité, permet de représenter tous les astres tel qu'on les voit depuis la...). La vitesse (On distingue :) radiale, mesurée le long de la ligne de visée d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.), est le complément indispensable aux mesures astrométriques des mouvements tangents à la sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une sphère est une surface constituée de tous les points situés à une même distance d'un point appelé centre. La valeur de...) céleste pour étudier la cinématique et la dynamique en trois dimensions des populations stellaires et ainsi retracer l'histoire de la formation de notre galaxie.Paola Sartoretti, première auteure de l'article:"Gaia Data Release 2: Processing, validation and performance of the spectroscopic data"

Diagramme Hertzsprung-Russell

Les données Gaia DR2 fournissent les diagrammes Hertzsprung-Russell (H-R) les plus complets et détaillés disponibles à ce jour. Ces diagrammes représentent la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) des étoiles en fonction de leur couleur ou température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...). Ils permettent de classifier les étoiles et déterminer à quel stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) de leur vie (La vie est le nom donné :) elles se trouvent. Très attendus par la communauté, les diagrammes H-R Gaia vont servir de base à une multitude d'études sur l'évolution stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers...) et les populations galactiques.Carine Babusiaux, première auteure de l'article:"Gaia Data Release 2: Observational Hertzsprung-Russell diagrams"

Structure galactique

Les données extraordinaires collectées par Gaia permettent de construire la carte tridimensionnelle la plus précise des positions, des mouvements et de la composition chimique des étoiles dans notre galaxie.David Katz, premier auteur de deux articles:- "Gaia Data Release 2: Mapping the Milky Way disk kinematics"- "Gaia Data Release 2: Properties and validation of the radialvelocities"

Système solaire

Les données de Gaia pour les objets du Système solaire montrent une amélioration d'un facteur 100 de la précision des positions de ces objets. Ces résultats suggèrent que l'on pourra utiliser les observations Gaia pour détecter des effets très fins dans le mouvement des astéroïdes, qui permettent d'étudier leur évolution et origine.Paolo Tanga, deuxième auteur de l'article:"Gaia Data Release 2: Observations of Solar System objects"


Vue d'artite du satellite (Satellite peut faire référence à :) Gaia
crédits: ESA/ATG medialab; background: ESO/S. Brunier

Gaia est une mission qui était prévue pour une durée nominale de cinq ans. L'ESA a déjà approuvé une extension indicative jusqu'à la fin de 2020, ce qui devrait être confirmé à la fin de 2018.

Contexte de la mission spatiale Gaia

La mesure de la distance des étoiles, dans la Galaxie et au-delà, joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à...) un rôle capital en astronomie. Et en trois dimensions, elle est d'autant plus difficile à déterminer. Depuis notre Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...), les étoiles semblent réparties sur la sphère céleste alors qu'elles sont en réalité distribuées dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) immense. Si l'on prend l'exemple des étoiles de la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation les relie par des lignes imaginaires, traçant ainsi une figure sur la...) du Lion (Le lion (Panthera leo) est un mammifère carnivore de la famille des félidés du genre Panthera (félins). Il est surnommé « le roi des animaux » car sa...), celles-ci sont en réalité dispersées dans le ciel en profondeur - de moins de 10 à plus de 7 000 années-lumière. Seules des mesures de distance permettent de bien situer chaque étoile dans l'espace.

Mesurer les distances

Comment faire pour mesurer la distance des étoiles ? Un phénomène permet d'appréhender cette mesure: depuis la Terre, en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) du Soleil, une même étoile, dite "proche", ne se projettera pas au même endroit sur un fond d'étoiles "lointaines", selon qu'elle est observée à deux instants distincts (par exemple, en hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) ou en été). Seulement, les mesures de ces minuscules mouvements de position sont extrêmement difficiles à opérer depuis le sol. Les premières d'entre elles ont été réalisées il y a 170 ans. Mais ce n'est que depuis l'espace que leur précision a pu être améliorée considérablement, lorsqu'on a pu s'affranchir des effets de la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et l'orientation varient constamment. Les...) atmosphérique.

Une idée française

Dès 1965, ce fut l'idée très originale de Pierre Lacroute, alors directeur de l'Observatoire de Strasbourg, qui permit la conceptualisation d'Hipparcos (Le satellite Hipparcos (HIgh Precision PARallax COllecting Satellite, satellite de mesure de parallaxe à haute précision) fut un projet de l'agence spatiale européenne dédié à la mesure de la parallaxe et du mouvement...), premier satellite astrométrique de l'Agence spatiale européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le...). Opérationnel de 1989 à 1993, Hipparcos mesura les distances et les mouvements de 118 218 étoiles avec une précision 50 fois plus grande qu'au sol. Le catalogue Hipparcos (Le catalogue Hipparcos est un catalogue d'étoiles résultant de la mission spatiale astrométrique Hipparcos diligentée par l'Agence spatiale européenne. Le satellite a fonctionné entre novembre 1989 et mars 1993 et a permis d'obtenir la...) publié en 1997 reste la seule référence en ce domaine aujourd'hui.

La genèse de Gaia

Forts de ce succès, les astronomes européens ont proposé dès 1992 un nouveau projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) à l'ESA avec l'ambition de mesurer un milliard d'objets, avec une précision 50 fois supérieure à celle d'Hipparcos. "En imaginant un satellite à deux télescopes avec des miroirs beaucoup plus grands en taille que celui d'Hipparcos, et des détecteurs d'une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) beaucoup plus avancée, nous souhaitions relever le défi de la très haute précision et atteindre la microseconde d'arc", se souvient Catherine Turon, astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) émérite de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des cartes...), pionnière de l'astrométrie (L'astrométrie est la partie de l'astronomie qui s'occupe de la position des étoiles et des autres objets célestes, leur distances et leur mouvements.) spatiale. Gaia révolutionnera le domaine de la cartographie céleste en ce début de XXIe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la...) en introduisant de la 3D, et rendra possible la combinaison (Une combinaison peut être :) de données astrométriques, photométriques et spectroscopiques.

Traitement des données

Le volume des données à traiter est sans égal à ce jour dans le domaine astronomique. Le traitement de l'ensemble des données scientifiques a été confié à un consortium international, suite à un appel à proposition publié par l'ESA en 2006, et auquel a répondu un groupe de scientifiques européens au sein d'un consortium DPAC (Data Processing and Analysis Consortium). Le DPAC rassemble aujourd'hui 422 scientifiques européens et 10 autres du reste du monde, qui ont sous leur responsabilité la conception et le développement des méthodes de traitement des données.

Un rôle de tout premier plan pour la recherche française

La communauté astronomique française occupe dans cette mission un rôle de tout premier plan. Avec une centaine de scientifiques impliqués, la France est le premier pays contributeur en Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du...), suivie par l'Italie et la Grande-Bretagne (La Grande-Bretagne (en anglais Great Britain) est une île bordant la côte nord-ouest de l'Europe continentale. Elle représente la majorité du territoire du...). La maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents...) d'oeuvre de la construction du satellite a été assurée par le groupe aérospatial français Airbus (Airbus est un constructeur aéronautique européen et également un acteur majeur dans la construction aéronautique mondiale. Filiale à...) Defence & Space (anciennement EADS/Astrium) à Toulouse. Le CNES, agence spatiale (Une agence spatiale est un organisme d'État ayant pour but d'étudier l'Espace et de développer et gérer des programmes spatiaux) française, contribue de façon importante à la mission Gaia en ayant développé, en hébergeant et opérant le centre français de traitement des données (DPCC, Data Processing Center CNES), outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification...) fondamental dans la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de traitement des informations.
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