La mission Gaia de l’ESA dresse la carte tridimensionnelle la plus précise jamais créée de notre galaxie en mesurant la position, la distance et la vitesse d’un milliard d’objets astronomiques, soit environ 1 % de la galaxie, avec une exactitude sans précédent. Les ingénieurs de RHEA participent au traitement et à la gestion des données, aux mises à l’essai et au catalogage.

La mission Gaia dans le temps

Lancement de la mission : 19 décembre 2013
Durée de la mission : 5 ans
Fin de la mission nominale : juillet 2019, avec prolongation jusqu’en décembre 2022
Prolongation : possiblement jusqu’en décembre 2025

À propos de la mission Gaia

Gaia est une mission « astrométrique », c’est-à-dire qu’elle étudie la position, la parallaxe et le mouvement propre des corps célestes. À ce titre, elle suit les traces d’Hipparcos, une mission européenne d’avant-garde ayant permis de cartographier plus de 100 000 étoiles avec une grande précision et plus d’un million avec une exactitude moindre. Cette fois, l’ESA s’est fixé un objectif beaucoup plus ambitieux, soit celui de cartographier un milliard d’objets avec une grande précision.

Alors que Gaia dresse sa carte 3D de notre galaxie, la plupart des objets observés seront des étoiles. Toutefois, la mission mesurera également la position de planètes, d’astéroïdes, de comètes et de quasars. Gaia mesure la position et la vitesse de tous ces objets astronomiques par rapport à leurs position et vitesse au moment de la formation de la galaxie. Par conséquent, la carte générée permettra aux astronomes de mieux comprendre l’origine et l’évolution de la Voie lactée et, par la suite, d’en savoir plus sur les processus généraux responsables de la formation et de l’évolution des galaxies.

Les données issues de la mission Gaia sont rendues publiques dans des catalogues, le premier ayant été publié en septembre 2016, soit 1 000 jours après le lancement.

À propos de l’orbite de Gaia

Le satellite Gaia a été lancé le 19 décembre 2013 par le lanceur Soyuz-Fregat depuis le port spatial européen de Kourou, en Guyane française.

Gaia a atteint son orbite définitive le 8 janvier 2014. Il s’agit d’une orbite de Lissajous autour du point de Lagrange L2 du système Soleil-Terre, qui est situé à 1,5 million de kilomètres de la Terre.

Aux points de Lagrange, les forces gravitationnelles de deux corps imposants s’annulent l’une l’autre, ce qui permet à un troisième corps, plus petit, de rester en équilibre. Dans le cas qui nous intéresse, les corps imposants sont le Soleil et la Terre, tandis que Gaia est le petit. Une orbite de Lissajous décrit une trajectoire naturelle, mais complexe, autour d’un point L1 ou L2 et peut être maintenue au moyen d’une quantité minimale d’énergie, ce qui la rend efficace sur le plan du carburant. L’orbite de Gaia autour du point L2 procure un environnement thermique stable tout en permettant aux panneaux solaires de l’engin d’être orientés vers le Soleil de façon à satisfaire les besoins de la mission en énergie.

Principales difficultés techniques de la mission Gaia

Gaia mesure la position et le mouvement d’objets astronomiques dans le ciel sous la forme de minuscules angles. Pour les étoiles les plus brillantes (dont la magnitude est supérieure à 10), Gaia mesure la position angulaire avec des incertitudes de l’ordre de 7 microsecondes d’arc.

Les erreurs positionnelles dans le catalogue Hipparcos étaient 200 fois plus importantes. À titre de comparaison, Hipparcos aurait pu mesurer la taille d’un astronaute debout sur la Lune, tandis que Gaia pourrait mesurer la taille de l’ongle de cet astronaute. Compte tenu du fait que la mission Hipparcos a été lancée en 1993, l’équipe de Gaia a amélioré considérablement l’exactitude de localisation au cours des 20 années qui séparent les deux missions.

Le traitement des données constitue un autre aspect difficile de la mission Gaia. La quantité de données à traiter pour la dernière publication du catalogue Gaia s’élevait à environ 100 To. Le traitement de cet énorme volume de données a nécessité une puissance informatique considérable ainsi que le développement d’algorithmes spéciaux.

Comment 40 000 étoiles, toutes situées à moins de 100 parsecs (326 années-lumière) du système solaire, se déplaceront dans le ciel au cours des 400 000 prochaines années. Ces « mouvements propres » ont été publiés dans le cadre de la publication des données préliminaires de Gaia 3 (Gaia EDR3) et sont deux fois plus précis que ceux de la précédente version Gaia DR2, car Gaia a maintenant mesuré les étoiles plus souvent et sur un plus long intervalle de temps. © ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 IGO.

Charge utile scientifique de Gaia

La charge utile de Gaia consiste en trois instruments :

  • Instrument astrométrique : mesure avec précision la position angulaire des étoiles plus brillantes que la magnitude 20.
  • Instrument photométrique : mesure la luminosité des corps célestes dépassant la bande spectrale de 320 à 1 000 nm.
  • Spectromètre de vitesse radiale : mesure la vitesse radiale de la cible.

Pendant les cinq années de la mission nominale, chacun des corps célestes ciblés a été mesuré en moyenne 70 fois. En combinant les 70 mesures, les scientifiques ont été en mesure de calculer la position de chaque corps céleste ainsi que sa parallaxe, et donc sa distance et son mouvement propre (à ne pas confondre avec la vitesse radiale).

À partir de l’instrument photométrique, il est possible de déduire la température, la masse et la composition des objets ciblés.

Mises ensemble, ces données permettent aux scientifiques de Gaia de générer la carte la plus détaillée à ce jour de notre galaxie, la Voie lactée.

Publications des données de Gaia

Les données issues de la mission Gaia sont publiées par phases :

  • 14septembre 2016 : 1er catalogue Gaia
  • 25 avril 2018 : 2ecatalogue Gaia
  • 3 décembre 2020 : 3ecatalogue Gaia (1re partie)
  • Première moitié de 2022 : 3ecatalogue Gaia complet

Étant donné le volume important de données à traiter, le troisième catalogue Gaia sera divisé en deux de façon à permettre aux scientifiques d’accéder plus rapidement à des produits peut-être incomplets, mais tout de même utilisables et de grande qualité. La publication de cette première partie vient ajouter de nouvelles données au deuxième catalogue : le nombre de sources a connu une augmentation allant jusqu’à 2 %, mais le nombre de sources dont la vitesse radiale ou la température effective sont connues demeure le même.

Premières réalisations scientifiques

Gaia Enceladus stars across the sky crop. © ESA/Gaia/DPAC; A. Helmi et al 2018
Débris d’une autre galaxie appelée Gaia-Encelade qui est autrefois entrée en collision avec la nôtre, indiqués par la direction du trajet et la composition chimique : le violet indique les étoiles les plus proches et le jaune les plus lointaines ; le blanc est celui des amas globulaires ; le cyan est celui des étoiles variables. ESA/Gaia/DPAC ; A. Helmi et al 2018

Gaia est une mine d’information à propos de notre galaxie et, par extrapolation, des galaxies du même type que la Voie lactée. Voici seulement trois des importantes découvertes permises à ce jour par les données de Gaia :

  • Une galaxie naine ultradiffuse nommée Antlia se trouve aux abords de la Voie lactée, et sa luminosité de surface est la plus faible de toute galaxie connue.
  • Certaines étoiles de la Voie lactée tournent dans le sens opposé à celui de la plupart des autres étoiles et présentent une composition chimique différente, signe qu’une autre galaxie a un jour fusionné avec la nôtre.
  • Le disque de la Voie lactée n’est pas complètement plat, mais légèrement déformé. Nous savons maintenant que cette déformation n’est pas statique, mais qu’elle change au fil du temps. Les astronomes sont convaincus que cela résulte aussi d’une collision lointaine avec une autre galaxie.

Contribution de RHEA à la mission Gaia

L’équipe de RHEA est très présente au centre des activités scientifiques de Gaia, au Centre européen d’astronomie spatiale (ESAC), avec quatre ingénieurs d’exploitation et un scientifique d’exploitation d’instrument. Deux des ingénieurs d’exploitation assument aussi les fonctions d’ingénieurs d’essais.

Les ingénieurs d’exploitation sont responsables de la réception et du traitement initial des données de Gaia, de même que de leur distribution quotidienne aux centres de traitement des données de Gaia partout en Europe. Ils s’occupent également de gérer les bases de données comportant des volumes extrêmement élevés pouvant atteindre 100 To.

Les ingénieurs d’essais sont responsables d’organiser l’ensemble des infrastructures d’essai associées aux systèmes de traitement des données. En raison de leur complexité, la plupart des essais sont réalisés de façon automatique. Toutefois, lorsqu’une alerte est soulevée, la situation doit être vérifiée par un humain.

Le scientifique d’exploitation d’instrument de RHEA est responsable de produire un catalogue d’étoiles variables (c’est-à-dire dont l’éclat semble fluctuer), lesquelles sont classées au moyen de méthodes d’apprentissage machine.

 

Milky Way s precessing galactic disc
Les données de Gaia montrent que le disque galactique déformé de la Voie Lactée précesse, ou oscille, plus rapidement que prévu, effectuant une rotation en 600 à 700 millions d’années. La vitesse de précession de la distorsion a conduit les astronomes à penser qu’elle devait être causée par quelque chose de puissant, comme une collision constante avec une galaxie plus petite. Crédit ESA : Stefan Payne-Wardenaar
Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)

Image principale : Impression d’artiste de Gaia cartographiant les étoiles de la Voie lactée. © ESA/ATG medialab ; arrière-plan : ESO/S. Brunier