Gaia (satellite) - Définition

Objectifs scientifiques

La justification de la mission spatiale Gaia vient de plusieurs constats :

• la luminosité intrinsèque précise des étoiles nécessite de connaître (directement ou indirectement) leur distance. Une des seules manières de l'obtenir sans hypothèses physiques est par l'intermédiaire de la parallaxe annuelle. L'observation à partir du sol ne permettrait pas d'obtenir ces parallaxes avec suffisamment de précision, à cause des effets de l'atmosphère et des erreurs systématiques instrumentales.
• il faut observer les objets les plus faibles pour avoir une vision complète de la fonction de luminosité stellaire, et d'autre part il faut observer tous les objets jusqu'à une certaine magnitude de manière à avoir des échantillons non biaisés.
• pour connaître les phases d'évolution stellaire les plus rapides, et contraindre ainsi les modèles d'évolution, il faut observer suffisamment d'objets. Un nombre important d'objets est également nécessaire pour connaître notre Galaxie : un milliard d'étoiles représente approximativement 1% de son contenu.
• une très bonne précision astrométrique et cinématique est nécessaire pour correctement connaître les différentes populations stellaires, en particulier les plus lointaines, pour reconstituer les orbites stellaires, etc.

Le design de Gaia s'en déduit, les contraintes techniques ne permettant pas par ailleurs d'observer plus d'objets, des objets plus faibles, ou avec de meilleures précisions. Les performances prédites sont les suivantes :

• tous les objets (plus d'un milliard) jusqu'à la magnitude V=20
• une précision de 7 millionièmes de seconde d'arc (μas) à la magnitude V=10 (précision équivalente à la mesure du diamètre d'un cheveu à 1000 km), entre 12 et 25 μas à V=15, entre 100 et 300 μas à V=20, ceci dépendant de la couleur de l'étoile
• soit environ 20 millions d'étoiles avec une précision en distance meilleure que 1% et 40 millions avec une précision en vitesse tangentielle meilleure que 0,5 km/s.

Sur la base de modèles et des performances nominales, Gaia devrait contribuer significativement dans les thématiques suivantes:

Performances scientifiques prédites pour Gaia

Physique galactique

• Structure spatiale et cinématique de toutes les populations d'étoiles, dans toutes les parties de notre Voie lactée : disque mince, disque épais, bras spiraux, bulbe et barre, halo, amas globulaires, zones de formation d'étoiles, amas ouverts.
• Détermination de l'âge et de la métallicité des étoiles de différentes populations, âge des plus vieux objets.
• En conséquence, Gaia permettra d'étudier la formation et l'évolution de notre Galaxie.
• Détection astrométrique de 10⁴planètes extrasolaires de masse similaire à Jupiter jusqu'à environ 200 pc, plusieurs milliers d'orbites. Détections de plusieurs milliers de transits de planètes extrasolaires devant leur étoile hôte.

Physique stellaire

• Statistiques de tous les types d'étoiles, y compris dans les phases d'évolution rapide du diagramme de Hertzsprung-Russell.
• Détermination des paramètres fondamentaux (masse, rayon, luminosité, température et composition chimique).
• Détection systématique (quoique non exhaustive) de la binarité et de la variabilité.
• Contraintes pour les modèles de structure et d'évolution stellaire.

Système solaire

• Observations de 10⁶ objets.
• Détermination de masses, orbites améliorées par un facteur 30.
• Classification taxonomique (reliée à la composition minéralogique de surface) à partir de la photométrie.

Galaxies et système de référence

• Détermination des distances directes dans les nuages de Magellan pour les étoiles les plus brillantes.
• Distance des Céphéides et des RR Lyrae permettant de recalibrer l'échelle des distances dans l'univers.
• Dynamique et parallaxe de rotation des galaxies du Groupe local.
• Photométrie de plus d'un million de galaxies.
• Détection de plus de 10⁵ supernovae.
• Réalisation d'un système de référence à partir de 5×10⁵ quasars.

Physique fondamentale

À cause de la présence de la masse du soleil (et des autres planètes du système solaire), on s'attend à une déflexion des rayons lumineux de chaque étoile.

Dans un formalisme post-newtonien, cette déflexion est proportionnelle à (1+γ)/2 où le paramètre γ vaut 1 dans le cadre de la relativité générale : Gaia devrait obtenir une précision de l'ordre de 5×10^-7, fournissant ainsi un test supplémentaire de la relativité générale. D'autres contributions seront possibles avec les objets du système solaire (par exemple, avance du périhélie).

Enfin, grâce aux observations de la luminosité des naines blanches, Gaia devrait fournir une contrainte quant à une variation (hypothétique) de la constante gravitationnelle.