GAIA : mesurer les galaxies lointaines

Un #CNESTweetup sur le satellite cartographe d’un milliard d’étoiles

Scruter la voute céleste et y détecter jusqu’à un milliard d’étoiles : Voici ce que sera la mission de GAIA à partir du 19 décembre prochain, date de son lancement. Pour le premier rendez-vous des Mardis de l’espace de la saison 2013-2014, nous voici embarqué à bord du satellite que la NASA nous envie.

Scruter la voute céleste et y détecter jusqu’à un milliard d’étoiles : Voici ce que sera la mission de GAIA à partir du 19 décembre prochain, date de son lancement. Pour le premier rendez-vous des Mardis de l’espace de la saison 2013-2014, nous voici embarqués à bord du satellite que la NASA nous envie.

(Source : capture d'écran de l'animation "déploiement du bouclier thermique de Gaia", ESA.)

Pour ce premier #CNESTweetup en compagnie du Bar des Sciences, de MyScienceWork et bien sûr des passionnés, le sujet du jour était le nouveau satellite astrométrique, GAIA.

Nous étions accompagnés comme toujours par notre formidable animateur Paul de Brem ainsi que nos deux invités :

Catherine Turon : Astronome émérite à l’observatoire de Paris à Meudon. Elle a travaillé sur Hipparcos, le prédécesseur de GAIA, de 1973 à 1997.  Au début des années 90, elle effectue les premières études sur les applications scientifiques que des mesures aussi précises que celles de Gaia pourraient faire signifier. Pendant six ans, Catherine Turon a coordonné les actions françaises sur Gaia.

Olivier La Marle : Un habitué des Mardis de l’Espace. Olivier est à la direction des programmes du CNES. Il s’occupe des programmes d’astronomie : Il recueille les idées des scientifiques et étudie les demandes (faisabilité, coût, etc.) avant de les aiguiller vers la bonne agence, comme le CNES ou l’ESA.

A quoi ressemble GAIA ?

Commençons par faire un tour du propriétaire. Intéressons-nous d’abord à la partie la plus grande, le bouclier thermique d’une envergure de 10m de diamètre.


Ce bouclier sera constamment face au soleil pour que le satellite lui-même n’y soit jamais exposé directement et ceci dans le but de stabiliser la température des instruments. « C’est une petite chose fragile » nous explique Olivier La Marle.  « Il ne se cassera pas mais il faut comprendre que le télescope qui est embarqué est composé de miroirs et de lentilles, on ne peut donc pas se permettre la moindre dilatation sur un instrument de cette précision qui fait des mesures sur le ciel à des millionièmes de degrés près. » Sous le bouclier seront présents des panneaux solaires qui permettront d’alimenter le satellite en électricité.


Passons maintenant au télescope en lui-même, ou plutôt aux télescopes, car GAIA en embarque deux.

Les deux télescopes visent deux endroits de l’espace distincts séparés par un angle de 110° environ. Ils renverront les positions des étoiles, ainsi que leur chromaticité (leurs couleurs).



 

Ces deux télescopes sont également très utiles pour que GAIA puisse avoir des points de référence :




Des observations sont également faites au sol pour déterminer la position et la vitesse de GAIA et ainsi définir son orbite à 1mm/sec !

Mission : Apporter de la profondeur au ciel

Si l’on regarde le ciel, on a l’impression que tout est plat et à la même distance. L’estimation des distances est l’un des principaux objectifs de GAIA. Avant Hipparcos on pouvait estimer la distance d’un millier d’étoiles. Avec Hipparcos on est passé à 100 000, et GAIA propose maintenant l’observation d’un milliard d’objets ! Il convient toutefois de relativiser car « cela ne représente que 1% à 1,5% des étoiles de la galaxie » nous rappelle Catherine Turon.


GAIA va être capable de sonder la moitié de notre galaxie en profondeur. Le gain de précision est à peu près 100 000 fois meilleur qu’Hipparcos. Pour l’exemple, GAIA est capable de voir une pièce d’1€ sur la Lune, (de quoi rendre jalouse la NSA). En version plus technique : si on reste sur cet exemple et que l’on fait la différence entre les deux bords de la pièce, on obtient à peu près ce que GAIA est capable de mesurer, c’est-à-dire 1/10 de millionième de seconde d’arc, soit 10 micro-arcsec.


A quelle fréquence seront observés ces objets ?


L’intervalle de temps entre chaque analyse varie mais en moyenne, tout le ciel est couvert en l’espace de 4 mois.

Le principal rôle de Gaia va être de cartographier très précisément la galaxie en 3 dimensions. Si on connait les distances de chaque étoile au cours du temps, on peut ensuite en déduire leur emplacement précis dans la galaxie—dans le disque, le halo ou le bulbe de la galaxie—et leur mouvement.

L’analyse de ces mouvements est très intéressante car elle permet d’en déduire la position des étoiles dans le passé mais aussi dans le futur. Pour cela il faut prendre en compte le mouvement d’ensemble de la galaxie ainsi que les mouvements bien particuliers de chacune des étoiles : Tout bouge.

GAIA pourra-t-elle détecter la matière noire ?

 



La présence de la matière sombre (ou matière noire) a justement été suggérée par l’observation des mouvements des étoiles et en particulier du mouvement de rotation des galaxies. Grace à GAIA on pourra davantage préciser la masse et la répartition de la matière noire.


Parlons chimie


La description d’une étoile, son évolution ainsi que celle des galaxies en particulier, passe par sa couleur. Cette couleur est un signe de sa température et de la composition chimique de son atmosphère, qui évolue beaucoup au cours du temps.


C’est pour cela que GAIA embarque à la fois un spectrophotomètre et un spectrographe.

Le traitement des données

Au sol, on reçoit les données brutes en provenance de GAIA. Ces « clichés » sont « totalement illisibles » d’après Olivier La Marle : « C’est plein de bruits et plein de traits ». Fort heureusement ces anomalies peuvent être filtrées car la plupart sont connues des ingénieurs, grâce à un calibrage de référence des instruments.

Gaia veut établir un catalogue des étoiles. Il contiendra pour chacune d’elles une position et une vitesse. Ces deux paramètres seront absolus et non en rapport avec les étoiles voisines qui bougent aussi. Pour arriver à cela il faut résoudre un énorme système d’équations.

Pour Hipparcos cela représentait :


Le problème est le traitement monstrueux de ces données. N’imaginez même pas faire cela sur votre ordinateur. Si on accordait ne serait-ce qu’une seconde à chaque étoile, il faudrait 30 ans pour analyser toutes celles observées par GAIA.

Il faut donc des supercalculateurs ultra puissants. Pour GAIA, ce travail a représenté 10 ans de recherche et une équipe de 400 personnes venant de plusieurs pays membres de l’ESA.


Quel coût ?


Cette fois-ci les invités auront devancé le public sur la question du coût. Le budget de GAIA s’élève à 740 millions d’Euros. Une somme « qui n’est pas si énorme » selon Catherine Turon, si l’on prend en compte le fait que ce type d’instrument va permettre de faire avancer considérablement les travaux astronomiques et ce dans beaucoup de domaines. Le projet est en partie financé par le CNES ou par le CNRS, en France.



« GAIA, ce n’est pas seulement les étoiles » précise Catherine Turon, « le satellite va également permettre de mesurer 500 000 astéroïdes ».  Il sera également possible de voir des astéroïdes qui sont à l’intérieur de l’orbite de la terre, chose qui est quasiment impossible à faire depuis le sol. « En 5 ans d’observation de GAIA, on fera mieux sur les calculs d’orbites qu’en 100 ans au sol » s’enthousiame Catherine Turon.



GAIA va également mesurer 500 000 quasars pour compléter un système de référence qui est utilisé pour positionner les satellites en orbite. De quoi faire rêver toute la communauté des amoureux du cosmos.


A propos de l'auteur :

Jeune diplômé Expert en Technologies de l'Information à l'Epitech en 2011, Florent Thouvenin est depuis consultant technique dans le domaine de l'éditique. Passionné par l'espace, Florent a découvert les mardis de l'espace organisés par le CNES en 2012. Depuis il est devenu un habitué et participe au livetwitter #CNESTweetup.