Gaia DR2 : une « révolution » pour l'astrophysique, des données sur 1,7 milliard d'étoiles

La galaxie est dangereuse, prend ta serviette !
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Gaia DR2 : une « révolution » pour l'astrophysique, des données sur 1,7 milliard d'étoiles
Crédits : ESA/ATG medialab; background: ESO/S. Brunier

Le deuxième catalogue de Gaia est impressionnant à plus d'un titre : il recense 1,7 milliard d'étoiles, avec de nombreuses informations sur leur vitesse, position et température. Ces données permettent de modéliser une partie de notre galaxie (la Voie lactée) avec une précision encore jamais atteinte. Il reste néanmoins beaucoup de travail.

L'observatoire de Paris tenait mercredi une conférence autour des résultats issus du satellite Gaia de l'ESA. Pour rappel, il est en charge d'une « cartographie 3D d’une partie de la Voie lactée, avec évaluation de la vitesse propre des corps célestes recensés », un travail de titan.

Gaia : déjà eu un impact scientifique, le second catalogue disponible

En 2016, les scientifiques publiaient le premier catalogue de mesures baptisé Gaia DR1 (Data Release 1), composé de deux sous-ensembles. Le premier regroupait la position dans le ciel de plus d'un milliard d’étoiles et des estimations de la distance avec une précision de 0,5 à 15 millièmes de seconde de degré. Le deuxième, TGAS (Tycho-Gaia Astrometric Solution), recensait les mouvements propres d'un « petit » sous-ensemble de deux millions d’étoiles brillantes. On y retrouvait également des données provenant du satellite Hipparcos, l'ancêtre de Gaia (nous y reviendrons).

Cette première vague de résultats était importante et a conduit à « des centaines de publications scientifiques » affirme l'observatoire de Paris, qui en liste quelques-unes ici. La suite était donc attendue de pied ferme par la communauté. C'est désormais chose faite avec le second jeu de données couvrant 22 mois d'observation (668 jours, de juillet 2014 à mai 2016), contre 14 mois seulement pour le DR1.

L'un des enjeux de Gaia est de permettre de « comprendre les mécanismes physiques qui font évoluer notre galaxie » explique le CNES. Comme nous allons le voir, cela demande temps et puissance de calcul ; les chiffres ont en effet de quoi faire tourner la tête.

De nouvelles mesures importantes à plus d'un titre

Avec le DR2, le nombre d'objets céleste explose et passe à près de 1,7 milliard. Nous sommes par contre toujours très loin de recenser l'ensemble des étoiles de notre galaxie, car elle en compterait environ 200 milliards selon les estimations. Pour plus de 1,3 milliard d'objets, les mouvements propres sont également indiqués dans le catalogue DR2. Dans plus de 7,2 millions des cas, la vitesse radiale (dans la ligne de visée) est aussi présente.

Pour Claude Catala, président de l'Observatoire de Paris, l'annonce est (très) importante : « ces résultats sont en train de révolutionner une grande partie de notre discipline, l'astrophysique » a-t-il indiqué lors de la conférence d'annonce du DR2 de Gaia.

Les précédentes « révolutions » : de Friedrich Bessel à Hipparcos

Avant d'entrer dans le vif du sujet, commençons par quelques rappels. Cartographier le ciel (avec les distances des étoiles, pas seulement le nombre) est un travail de longue haleine commencé il y a déjà près de 200 ans. C'est en effet en 1838 que l'astronome allemand Friedrich Bessel a mesuré la première distance d'une étoile en utilisant la parallaxe. Selon ses calculs, l'étoile 61 de la constellation du Cygne se trouvait à 100 000 milliards de km, soit environ 10,4 années-lumière de la Terre. Sans avoir le bon résultat, il n'était finalement pas tombé très loin. Elle se trouve en réalité à 11,2 années-lumière.

Il faudra ensuite attendre plus de 150 ans pour qu'un premier important palier soit franchi avec le satellite européen Hipparcos. Lancé en 1989, il établit un catalogue de 120 000 étoiles. En plus d'un recensement, l'engin spatial a permis d'obtenir d'autres informations sur les étoiles.

« Ce n'est pas un nombre impressionnant », reconnaît François Mignard, directeur de recherche au CNRS. Il rappelle en effet que depuis la fin du XIXe siècle nous avions déjà des catalogues avec un million d'étoiles. Ce n'est pas le nombre d'objets qui comptait avec Hipparcos, mais « son objectif de positionner les objets de façon absolue, avec une précision qui pour les astronomes s'appelle de la millième de seconde d'arc [...] c'est-à-dire à peu près la grosseur d'une pièce de 2 euros vue à 1 000 km ». 

 Gaia DR2

Deux télescopes et trois instruments à bord de Gaia...

L'aventure reprend de plus belle en décembre 2013 : le satellite Gaia (réalisé par Airbus Defence & Space) décolle de Kourou en Guyane à bord d'une fusée Soyouz-Fregat, avec la promesse d'un catalogue explosant le nombre d'étoiles (plus d'un milliard) et la précision, avec une amélioration d'un facteur 100. De 2 000 à 4 000 microsecondes d'arc avec Hipparcos, Gaia descend ainsi jusqu'à 7 microsecondes d'arc seulement.

Le satellite se place au point de Lagrange L2, « une zone gravitationnellement stable » explique l'ESA. Il se trouve sur l'axe Terre-Soleil, à 1,5 millions de km de notre planète (dans la direction opposée de notre étoile). Il dispose de deux télescopes optiques « lui permettant de déterminer précisément la position des corps célestes observés et d'analyser leur spectre lumineux ». Afin de cartographier l'ensemble du ciel, le satellite tourne sur lui-même.

Ce positionnement est d'ailleurs un problème pour Gaia, comme l'explique Frédéric Arenou, responsable de la validation des données du catalogue : « le plus difficile est que nous sommes coincés dans notre galaxie, on ne réussira probablement jamais à en sortir, et donc il s’agit d’imaginer depuis l’endroit où l’on se trouve comment sont placées les étoiles cachées par du gaz un peu partout ». « Il s’agit de deviner, coincés dans une forêt, quelle est la forme de cette forêt, en essayant de voir où sont les lisières » ajoute-t-il.

Trois instruments scientifiques sont présents à bord : un photomètre BP/RP (Blue Photometer, Red Photometer), chargé d'analyser les propriétés des étoiles (température, masse, âge…), un spectromètre RVS (Radial Velocity Spectrometer) calculant leur vitesse et enfin un astromètre mesurant la position des objets célestes.

Les données récoltées sont transmises à la Terre durant environ 11h par jour. Dans l'espace il n'est pas (encore) question du très haut débit, mais la connexion n'est finalement pas si mauvaise avec 4 à 8 Mb/s selon le CNES.

... un quatrième tout aussi important au sol : DPAC

En fonctionnement, Gaia effectue « 500 millions de mesures par jour », mais ce sont « de toutes petites images très locales autour d'objets ne portant pas d'information en elles-mêmes. L'information arrive quand on les combine ensemble » détaille François Mignard, responsable de la participation française à Gaia.

Cet assemblage est réalisé sur Terre par le DPAC (Data Processing and Analysis Consortium). « Sans ce quatrième instrument, il n'y aurait que des mesures brutes, inexploitables par les astronomes » ajoute le scientifique pour appuyer l'importance du DPAC dans la mission Gaia.

Frédéric Arenou donne quelques explications sur la manière dont Gaia effectue ses mesures : « Le satellite peut être comparé à un grand plan focal d'environ 100 x 40 cm, remplis d'une centaine de CCD ». Chaque cellule prend individuellement des photos des étoiles qu'elle voit passer.

Un puzzle de 1 000 milliards de pièces à reconstituer

Depuis son lancement, « Gaia a déjà envoyé près de 1 000 milliards de fenêtres [NDLR : les petites photos des capteurs CCD] de position et de couleur ». Cela représente 2 millions de fenêtres en l'espace de seulement 5 min, soit environ 200 000 étoiles observées.

« Une fois ces 1 000 milliards de fenêtres envoyées au sol, c'est un gigantesque puzzle pour savoir à quelles étoiles elles s'appliquent ». Il faut ensuite « reconstituer leur position et déplacement » ajoute Frédéric Arenou, une opération qualifiée de difficile par le chercheur.

Gaia DR2

La France très présente dans le DPAC, financé par les États

Notez que le DPAC ne dépend pas directement de l'ESA (l'agence européenne ne le finance pas) mais de certains États explique François Mignard. En France, c'est notamment le cas du CNES, du CNRS et d'universités. En tout, 23 pays sont partie prenante, principalement des partenaires européens de l'ESA, mais pas uniquement.

Le DPAC est composé d'environ 450 chercheurs et ingénieurs regroupés dans 100 équipes ou instituts. La France est bien représentée avec une centaine de chercheurs (environ 22 % des effectifs) et s'occupe en moyenne de 40 % de l'ensemble des traitements des données de Gaia. Les différents laboratoires sont regroupés en neuf « unités de développement » et disposent de six centres de calcul spécialisés, dont un à Toulouse. 

Chantal Panem, chef de projet de l'exploitation de Gaia, indique que le centre de calcul du CNES « est composé d'environ 200 serveurs, 4 000 de cœurs de calculs et des pétaoctets de données traitées pendant plusieurs mois pour produire une version du catalogue ».

Une précision accrue de la position des étoiles...

Le résultat est impressionnant, comme en témoigne la carte ci-dessous. Il ne s'agit « pas du tout d'une photo du ciel » prévient Frédéric Arenou, c'est une image reconstituée à partir de 1,3 milliard d'étoiles, avec la même résolution que le télescope spatial Hubble. 

La précision avec laquelle les étoiles sont positionnées sur cette image est de l'ordre de l'ångström, soit 0,1 nanomètre ou encore 10^−10 mètre. Pour donner un exemple, « la précision d'angle de Gaia est l'épaisseur d'un cheveu vue à 1 000 km ». Pour rappel, avec Hipparcos nous étions dans l'ordre de grandeur d'une pièce de 2 euros à cette distance.

Gaia DR2

... et un catalogue bien plus complet 

Le Gaia Data Release 2 (DR2) recense également « les positions, parallaxes et mouvements propres, ainsi que des magnitudes G pour plus de 1,3 milliard d’étoiles. Il contient également, pour la grande majorité de ces sources, une mesure de la couleur de chaque étoile, obtenue à partir des magnitudes BP et RP ».

Vous en voulez encore ? Dans le DR2 vous avez les « vitesses radiales pour plus de sept millions d’étoiles ; des estimations de la température pour environ 160 millions d’étoiles ; des courbes de lumière pour plus d’un demi-million d’étoiles variables, y compris des Céphéides et des RR Lyrae ; et la position de plus de 14 000 objets du système solaire – principalement des astéroïdes  sur la base de plus de 1,5 million d’observations ».

Chantal Panem explique que, s'il était possible d'imprimer le catalogue Hipparcos, ce n'est pas imaginable avec celui de Gaia car il représenterait « plusieurs kilomètres de papier ».

Pour Olivier La Marle, astrophysicien au CNES, « ce catalogue d'étoiles peut être comparé à Facebook ». On y retrouve en effet des informations plus ou moins détaillées sur chaque étoile, comme on peut retrouver des données des personnes sur le réseau social. « C'est organisé de la même façon » ajoute le scientifique. Avec les étoiles, l'avantage est que la question de la vie privée ne se pose pas. 

Voici un résumé des informations contenues dans le DR2 de Gaia :

  • 1,7 milliard positions d’étoiles sur le ciel 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 
  • 160 millions de températures de surface et 77 millions de rayons et luminosités d’étoiles
  • 14 000 astéroïdes

Voici ensuite un tableau comparatif entre le DR1 (septembre 2014) et le DR2 (avril 2015). Une vidéo a également été mise en ligne ici par l'ESA, pour un rendu plus visuel.

Gaia DR1 DR2

Les nombreuses possibilités ouvertes par le DR2 de Gaia

Gaia apporte donc « une moisson inédite d’informations sur notre galaxie permettant ainsi une étude détaillée de sa structure en trois dimensions, de sa cinématique, de son origine et de son évolution » explique le CNRS. Des articles scientifiques ont d'ores et déjà été mis en ligne dès mercredi midi, tandis que d'autres arriveront certainement, maintenant que les données sont publiques et librement accessibles.

Les domaines de recherche sont très vastes et plusieurs pistes sont évoquées par les responsables. Par exemple, une meilleure connaissance de l'évolution de notre galaxie et de l'origine des géocroiseurs, potentiellement dangereux et cibles de choix pour des missions spatiales. Également des mesures d'occultations stellaires permettant de mieux connaitre certains astres, des recalibrations d'observations d'archives et « ... ».

Ces trois petits points sont peut-être « les plus importants » lâche un scientifique durant la conférence, car ils représentent toutes les pistes de recherches auxquelles nous n'avons pas encore pensées.

Gaia DR2Gaia DR2Gaia DR2

Le DR3 en piste pour 2020, les résultats définitifs pas avant 2022

Quoi qu'il en soit, la mission nominale de Gaia n'est pas encore terminée et la relève est déjà prévue avec la Data Release 3 prévue pour dans deux ans selon Oliver La Marle du CNES :

« À chaque catalogue on améliore la précision des mesures parce qu'on reprend tout depuis le début, et chaque étoile est remesurée avec encore plus de données.

Comme la durée est plus longue, on voit le mouvement des étoiles de façon beaucoup plus nette, dont on va énormément améliorer tout ce qui est trajectoire des étoiles et des astéroïdes.

On va commencer à parler d'exoplanètes, qui ne sont pas encore dans le deuxième catalogue. »

Le CNES ajoute que « les résultats définitifs de la mission nominale (5 ans) ne seront pas disponibles avant les années 2022 ». Davis Katz, astronome, explique que l'aventure Gaia n'est qu'à ses débuts : « Elle pourrait permettre dans les prochaines années de révéler de nouvelles planètes et de décoder la structure de notre galaxie. Une façon de replacer notre planète bleue dans l’immensité du cosmos ».

Bref, toujours plus d'étoiles avec une précision accrue, mais ce n'est que la partie visible de l'iceberg. Jacques Arnould, responsable des questions éthiques au CNES, expliquait il y a quelques années qu'avec Gaia, « seulement 1 % des étoiles de notre galaxie seront mieux connues... les 99 % restants les connaitrons- nous un jour ? », s'interrogeait-il.

Gaia
Crédits : ESA

Nous savons que nous ne savons presque rien

Les découvertes que nous faisons soulèvent parfois plus de questions qu'elles n'apportent de réponses. Un constat partagé par le physicien théoricien Thibault Damour. Lors d'une interview sur le principe d'équivalence de la chute libre, il nous expliquait que « plus on avance, plus on voit que l'océan de notre ignorance est grand. Ça reste vrai sur chaque question fondamentale de la physique, chaque nouvelle découverte ouvre plus de questions qu'avant ».

Voici deux exemples de notre « ignorance » sur la Voie lactée et notre univers. Le premier, très parlant concerne la matière et l'énergie noires (ou sombres) qui nous sont toujours totalement invisibles (lire cette actualité). Le deuxième est l'immensité de l'univers face à nos connaissances : les données astronomiques de Gaia ne concernent pour le moment que 1 % des étoiles de notre galaxie et, dans l'univers, il y a des centaines/milliers de milliards de galaxies, chacune avec des dizaines, centaines, voire milliers de milliards d'étoiles... Et encore parlons-nous de l'univers observable.

« Personne ne connaît la taille exacte de l’univers, car nous ne pouvons en voir le bout – si tant est qu’il y en ait un. Tout ce que nous savons, c’est que l’univers visible s’étend sur une distance d’au moins 93 milliards d’années-lumière ». La lumière met ainsi 93 milliards d'années à le traverser, contre 100 000 « seulement » pour notre galaxie.

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