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Gaia : une carte de plus d’un milliard d’étoiles promet des trésors à venir

publié le , mis à jour le

Le premier catalogue de plus d’un milliard d’étoiles produit par le satellite Gaia, de l’ESA, a été publié aujourd’hui. Il s’agit de la plus grande étude des objets célestes produite à ce jour.

Sur la voie de la représentation en trois dimensions, ou 3D, la plus détaillée jamais réalisée de notre galaxie, la Voie lactée, Gaia a fixé sur la voûte céleste la position précise et la luminosité de 1 milliard 142 millions d’étoiles.

Véritable avant-goût du catalogue encore plus riche qui sera construit dans un proche avenir, la publication d’aujourd’hui fournit également les distances et les mouvements dans le ciel pour plus de deux millions d’étoiles.

"Gaia est à la pointe de l’astrométrie, cartographiant le ciel avecune précision qui jamais atteinte auparavant", explique Alvaro Giménez, directeur scientifique de l’European Space Agency (ESA).

"Le communiqué d’aujourd’hui nous donne une première estimation des données extraordinaires qui nous attendent et qui vont révolutionner notre compréhension de la façon dont les étoiles sont distribuées et se déplacent à travers notre galaxie."

Lancé il y a 1000 jours, le satellite Gaia a débuté ses travaux scientifiques en juillet 2014. Cette première version est basée sur des données recueillies au cours de ses 14 premiers mois de scrutation du ciel, jusqu’à septembre 2015.

"La superbe carte que nous publions aujourd’hui montre la densité des étoiles mesurées par Gaia sur l’ensemble du ciel, et confirme que le satellite a recueilli des données de grande valeur au cours de sa première année d’exploitation", explique Timo Prusti, directeur scientifique du projet Gaia à l’ESA.

Les rayures et autres objets dans l’image reflètent la façon dont Gaia scrute le ciel, et va progressivement disparaître au fur et à mesure que des scans seront réalisés au cours de la mission de cinq ans.


"Le satellite fonctionne bien et nous avons démontré qu’il est possible de gérer l’analyse d’un milliard d’étoiles. Bien que les données actuelles soient préliminaires, nous voulions les rendre disponibles pour la communauté astronomique de façon à les exploiter dès que possible ", ajoute le Dr Prusti.

Transformer les données brutes en des positions stellaires utiles et fiables à un niveau de précision jamais atteint, est une procédure extrêmement complexe, confiée à une collaboration paneuropéenne d’environ 450 scientifiques et ingénieurs de logiciels : le Gaia Data Processing and Analysis Consortium, ou DPAC.

"La version livrée aujourd’hui est le résultat d’un travail d’une collaboration des plus actives au cours de la dernière décennie", dit Anthony Brown, de l’Université de Leiden aux Pays-Bas, et président du consortium.

"En collaboration avec des experts de diverses disciplines, nous avons dû nous préparer avant même le début des observations, puis traiter les données, les transformer en données astronomiques significatives, et enfin valider leur contenu scientifique."

En plus de traiter le catalogue complet de plus d’un milliard d’étoiles, les scientifiques ont examiné en détail les quelque deux millions d’étoiles observées en commun entre la première année de Gaia et les catalogues précédents Hipparcos et Tycho-2, tous deux dérivés de la mission Hipparcos de l’ESA, qui a observé le ciel il y a plus de deux décennies.

En combinant les données Gaia avec des informations provenant de ces catalogues moins précis, il a été possible de commencer à différencier les effets de "parallaxe" et "mouvement propre", même uniquement à partir de la première année d’observations. La parallaxe est un petit mouvement dans la position apparente d’une étoile provoquée par la révolution annuelle de la Terre autour du Soleil, et qui dépend de la distance d’une étoile relativement à notre position, alors que le mouvement propre est due au mouvement physique réel des étoiles à travers la galaxie.

De cette façon, les scientifiques ont été en mesure d’estimer les distances et les mouvements pour les deux millions d’étoiles réparties à travers le ciel et référencées dans le Tycho–Gaia Astrometric Solution, ou TGAS.

Ce nouveau catalogue est deux fois plus précis et contient près de 20 fois autant d’étoiles que la dernière référence établie pour l’astrométrie, le catalogue Hipparcos.

Dans le cadre de leur travail de validation du catalogue, les scientifiques du DPAC ont mené une étude des amas stellaires ouverts - groupes d’étoiles relativement jeunes qui sont nés ensemble - qui démontre clairement le progrès rendu possible par les nouvelles données.

"Avec Hipparcos, nous ne pouvions qu’analyser la structure en 3D et la dynamique des étoiles dans les Hyades, l’amas ouvert le plus proche du Soleil, et mesurer les distances pour environ 80 groupes d’étoiles [clusters] jusqu’à 1600 années-lumière de distance", explique Antonella Vallenari de l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) et de l’Observatoire astronomique de Padoue en Italie.

"Mais avec les premières données de Gaia, il est maintenant possible de mesurer les distances et les mouvements des étoiles dans environ 400 groupes jusqu’à 4800 années-lumière. Pour les 14 amas ouverts les plus proches, les nouvelles données révèlent de nombreuses étoiles étonnamment éloignées du centre du regroupement ‘parent’, semblant s’échapper pour peupler d’autres régions de la galaxie".

De nombreux amas stellaires supplémentaires seront découverts et analysés plus en détail avec les données d’une qualité inégalée que Gaia continue de recueillir et qui seront livrées dans les prochaines années.

Le nouveau recensement stellaire contient aussi 3194 étoiles variables, des étoiles qui augmentent en taille puis se rétractent sur un rythme précis, ce qui conduit à des changements périodiques de luminosité.

Un grand nombre d’étoiles variables observées par Gaia sont situées dans le Grand Nuage de Magellan, un de nos voisins galactiques, une région ‘scannée’ à plusieurs reprises au cours du premier mois d’observations, ce qui a permis une mesure précise de leur variations de luminosité .

Les détails concernant les variations de luminosité de ces étoiles - 386 d’entre elles étant de nouvelles découvertes - sont publiés dans le cadre de la livraison de données d’aujourd’hui, avec une première étude pour tester le potentiel de ces données.

"Les étoiles variables comme les Céphéides et RR Lyraes [ces dernières à période de variation plus courtes] sont de précieux indicateurs pour les distances cosmiques", explique Gisella Clementini de l’INAF et de l’Observatoire astronomique de Bologne en Italie.

"Bien que la parallaxe soit utilisée pour mesurer directement les distances sur de grands échantillons d’étoiles dans la Voie lactée, les étoiles variables fournissent une étape indirecte mais essentielle sur notre ‘échelle des distances cosmiques’, ce qui nous permet de l’étendre aux galaxies lointaines."

Ceci est possible parce que certains types d’étoiles variables sont particuliers. Par exemple, dans le cas des Céphéides - les plus brillantes – ces types sont intrinsèquement les plus lents dans leurs variations de luminosité. La même chose est vraie pour les RR Lyraes quand on les observe à la lumière infrarouge. La structure de leur variabilité est facile à mesurer et peut être combinée avec la luminosité apparente d’une étoile pour en déduire sa véritable luminosité [luminosité absolue].

Et c’est là où Gaia intervient : à l’avenir, les scientifiques seront en mesure de déterminer des distances très précises pour un large échantillon d’étoiles variables via les mesures de parallaxes réalisées par Gaia. Avec ces mesures les scientifiques vont calibrer et améliorer la relation entre la période et la luminosité de ces étoiles, et se servir des résultats pour mesurer les distances au-delà de notre galaxie. Une exploitation préliminaire des données dans le cadre du TGAS semble très prometteuse.

"Ceci n’est qu’un début : nous avons mesuré la distance du Grand Nuage de Magellan pour tester la qualité des données, et nous avons eu un avant-goût des améliorations spectaculaires que Gaia va bientôt apporter à notre compréhension des distances cosmiques", ajoute le Dr Clementini.


Connaître les positions et les mouvements des étoiles dans le ciel avec une précision aussi étonnante est un élément fondamental pour étudier les propriétés et les antécédents de la Voie lactée, et mesurer les distances des étoiles et des galaxies. Mais sera rendue possible aussi toute une variété d’applications plus proches de nous - par exemple dans le système solaire.

En juillet dernier, Pluton est passé devant une faible étoile lointaine, offrant une chance rare d’étudier l’atmosphère de cette planète naine, alors que l’étoile disparaissait peu à peu derrière Pluton pour ensuite réapparaître.

Cette occultation stellaire n’était visible que depuis une étroite bande s’étirant à travers l’Europe, similaire à la trajectoire de la totalité qu’une éclipse solaire fixe sur la surface de notre planète. La connaissance précise de la position de l’étoile était cruciale pour pointer les télescopes sur Terre, de sorte que la fourniture exceptionnelle et anticipée de la position observée par Gaia pour cette étoile – une mesure 10 fois plus précise que celle précédemment disponible - a contribué au suivi et à l’étude réussis de cet événement rare.

Les premiers résultats laissent entrevoir une pause, encore mal comprise, dans la montée en pression de l’atmosphère ténue de Pluton, un fait enregistré depuis 1988 en dépit de l’éloignement de la planète naine du Soleil, ce qui suggère une baisse de pression due à un refroidissement de l’atmosphère.

"Ces trois exemples montrent comment les données présentes et à venir de Gaia vont révolutionner tous les domaines de l’astronomie. Ceci nous permettra de mieux étudier notre place dans l’Univers, depuis notre voisinage, le système solaire, jusqu’aux échelles galactiques, voir cosmologiques," explique le Dr Brown .

Cette première version de données montre que la mission est en voie d’atteindre son objectif ultime : tracer en trois dimensions les positions, les distances et les mouvements d’un milliard d’étoiles - environ 1% du contenu stellaire de la Voie Lactée - et à une précision sans précédent.

"La route jusqu’à aujourd’hui n’a pas été sans obstacles : Gaia a rencontré un certain nombre de défis techniques et il a fallu un effort soutenu de notre collaboration pour apprendre à les traiter", déclare Fred Jansen, responsable de mission à l’ESA pour l’expérimentation Gaia.

"Mais maintenant, 1000 jours après le lancement et grâce à l’excellent travail de tous les participants, nous sommes très heureux de présenter ce premier ensemble de données et nous attendons avec impatience la prochaine version qui va permettre d’exploiter tout le potentiel de Gaia pour explorer notre galaxie comme nous ne l’avons jamais fait auparavant."

Consultez également :

- L’article publié sur le site de l’ESA – Traduction : LUPM
- Les pages de l’expérimentation Gaia sur le site du LUPM.
- Le communiqué de presse du CNRS : Le satellite Gaia livre la position d’un milliard d’étoiles
- Le communiqué de presse de l’IN2P3 : Le satellite Gaia livre la position d’un milliard d’étoiles
- Le site de l’OBSPM : Gaia : le ciel en profondeur
- L’article du Monde des Sciences : Plus d’un milliard d’étoiles de la Voie lactée localisées