Gaia dresse le catalogue le plus complet des étoiles de notre galaxie et d’au-delà

Une multitude de découvertes se profilent à l’horizon après cette publication très attendue, basée sur 22 mois passés à cartographier le ciel. Les nouvelles données incluent les positions, les indicateurs de distance et les mouvements de plus d’un milliard d’étoiles. Elles comprennent également des mesures de haute précision d’astéroïdes issus de notre système solaire ainsi que d’étoiles situées au-delà de la Voie lactée, notre propre galaxie.

La diffusion de cette nouvelle carte est une percée scientifique pour la communauté des astronomes, incluant des chercheurs de l'Observatoire royal de Belgique, de la KU Leuven, de l'ULB, de l'ULg et de l’Université d’Anvers. Pour les décennies à venir, ces données constituent une carte au trésor qui nous mènera à la découverte de la structure, de l’histoire et du futur de notre Voie Lactée.

Les analyses préliminaires de cette énorme quantité de données révèlent des détails très fins sur la composition de la population stellaire de la Voie lactée, ainsi que sur la façon dont les étoiles se déplacent, c’est-à-dire des informations essentielles pour étudier la formation et l’évolution de notre galaxie

« Les observations réalisées par Gaia redéfinissent les fondements de l’astronomie », dit Günther Hasinger, Directeur de la Science à l’ESA. « Gaia est une mission ambitieuse qui dépend d’une collaboration humaine considérable pour donner du sens à un grand volume de données hautement complexes. Elle démontre le besoin de projets à long terme pour assurer le progrès dans les sciences et les technologies spatiales et pour mettre en œuvre davantage de missions scientifiques audacieuses dans les prochaines décennies »

Le voyage de gaia

Gaia a été lancée en décembre 2013 et a débuté ses opérations scientifiques l’année suivante. La première parution de données, basée sur tout juste un an d’observations, a été publiée en 2016 ; elle contenait les distances et les mouvements de deux millions d’étoiles. La nouvelle parution de données, qui couvre la période entre le 25 juillet 2014 et le 23 mai 2016, cerne les positions de près d’1,7 milliard d’étoiles avec une précision plus grande encore. Pour quelques-unes des étoiles les plus lumineuses dans le catalogue, le niveau de précision reviendrait au fait qu’un observateur sur la Terre soient capables de déceler une pièce d’un euro à la surface de la lune.

Grâce à ces mesures très précises, il est possible de séparer la parallaxe des étoiles – un décalage apparent du ciel provoqué par l’orbite annuelle de la Terre autour sur soleil – de leurs mouvements réels à travers la galaxie.

Le nouveau catalogue liste la parallaxe et la vitesse à travers le ciel, ou mouvement propre, pour plus d’1,3 milliard d’étoiles. A l’aide des mesures de parallaxe les plus précises, soit 10 % du total, les astronomes sont capables d’estimer directement les distances vers les étoiles prises individuellement.

« La deuxième publication de données issues de Gaia représente une avancée considérable par rapport au satellite de l’ESA Hipparcos, le prédécesseur de Gaia et la première mission spatiale d’astrométrie, qui a sondé quelques 118.000 étoiles il y a près de trente ans », dit Anthony Brown de l’Université de Leyde, aux Pays-Bas. 

Anthony est le président du Gaia Data Processing and Analysis Consortium Executive, l’organisme qui supervise l’impressionnante collaboration d’environ 450 scientifiques et ingénieurs logiciel à qui a été confiée la tâche de créer le catalogue Gaia grâce aux données fournies par le satellite.

« Rien que le nombre d’étoiles à lui seul, en ce compris leurs position et mouvement, suffirait à déjà rendre le nouveau catalogue de Gaia assez époustouflant », ajoute Anthony.

« Mais il y a plus encore : ce catalogue scientifique unique comprend bien d’autres types de données – avec des informations sur les propriétés des étoiles et d’autres objets célestes – ce qui donne à cette publication un caractère véritablement exceptionnel ».

Pour tous les goûts

L’ensemble de données détaillées fournit un large éventail de sujets pour la communauté astronomique.

En plus des positions, les données incluent des informations sur la luminosité de toutes les étoiles étudiées, de même que des mesures sur la couleur pour la grande majorité d’entre elles, ainsi que des informations sur les variations de brillance et de couleur dans le temps pour plus d’un demi-million d’étoiles variables. Les données contiennent également les vitesses le long de la ligne de visée pour un sous-ensemble de sept millions d’étoiles, les températures de surface pour environ cent millions d’entre elles et les conséquences de la poussière interstellaire pour 87 millions d’autres.

Gaia observe également des objets dans notre système solaire : la deuxième publication de données reprend les positions de plus de 14.000 astéroïdes connus, ce qui permet la détermination précise de leurs orbites. Il est prévu qu’un échantillon plus important encore soit compilé dans les prochaines publications de Gaia.

Si l’on regarde plus loin encore, Gaia a saisi les positions d’un demi-million de quasars éloignés, qui sont des galaxies lumineuses alimentées par l’activité de gigantesques trous noirs en leur cœur. Ces sources sont utilisées pour définir un cadre de référence pour les coordonnées célestes de tous les objets dans le catalogue de Gaia, une entreprise qui est habituellement réalisée avec des ondes radios, mais qui est désormais également possible sur des longueurs d’onde optiques.

Des découvertes majeures sont attendues une fois que les scientifiques auront commencé à parcourir les nouvelles publications de Gaia. Il ressort d’ores et déjà d’un examen préliminaire, réalisé par le consortium de traitement des données en vue de valider la qualité du catalogue, que des surprises prometteuses sont au rendez-vous, en ce compris de nouvelles perspectives sur nos connaissances sur l’évolution des étoiles.

Archéologie galactique 

“Les nouvelles données de Gaia sont si enthousiasmantes que nous n’avons littéralement qu’à nous baisser pour en ramasser les résultats, tous plus prometteurs les uns que les autres », explique Antonella Vallenari, de l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) et de l’Observatoire Astronomique de Padoue, en Italie, et vice-présidente du conseil exécutif du consortium de traitement des données.

« Nous avons par exemple construit le diagramme d’étoiles d’Hertzsprung-Russel le plus détaillé jamais réalisé sur l’entièreté du ciel et nous pouvons déjà déceler quelques tendances intéressantes. C’est un peu comme si l’on inaugurait une nouvelle ère dans l’archéologie galactique ».

Baptisé en référence aux deux astronomes qui l’ont inventé au début du 20^e siècle, le diagramme de Hertzsprung-Russell compare la luminosité intrinsèque des étoiles avec leur couleur. Il s’agit d’un outil fondamental pour l’étude des populations d’étoiles et de leur évolution.

Une nouvelle version de ce diagramme, basée sur quatre millions d’étoiles localisées dans un rayon de cinq années-lumière du soleil et issues du catalogue Gaia, révèle de nombreux détails très fins pour la toute première fois. Il est notamment question de la signature de différentes naines blanches – les résidus d’étoiles semblables notre soleil – de sorte qu’une distinction puisse être faite entre celles dotées d’un noyau riche en hydrogène et celles où c’est l’hélium qui domine.

En étant associé avec les mesures de vitesse des étoiles réalisées par Gaia, le diagramme permet aux astronomes de différencier les différentes populations d’étoiles d’âges différents que l’on trouve dans des parties distinctes de la Voie lactée, comme dans le disque et le halo, et qui se sont formées différemment. Une observation plus pointue suggère que les étoiles très rapides, que l’on pensait appartenir au halo, englobent deux populations stellaires qui ont vu le jour à travers deux scénarios de formation différents, mais tout cela doit encore faire l’objet d’études plus détaillées.

« Gaia va faire progresser notre compréhension de l’univers à toutes les échelles cosmiques », explique Timo Prusti, scientifique du projet Gaia à l’ESA.

« Même dans le voisinage du soleil, qui est à la région que nous pensions connaître le mieux, Gaia révèle de nouvelles particularités absolument passionnantes ».

Une galaxie en 3D

Pour un sous-ensemble d’étoiles se trouvant à quelques milliers d’années-lumière du soleil, Gaia a été capable de mesurer la vitesse dans les trois dimensions, révélant en cela des modèles dans les déplacements des étoiles qui orbitent autour de la galaxie à des vitesses similaires.

Des études complémentaires devront confirmer si ces modèles sont liés aux perturbations engendrées par la barre galactique, qui est une concentration très dense d’étoiles de forme allongée au centre de la galaxie, par l’architecture en bras spiraux de la Voie lactée, ou encore par l’interaction avec de plus petites galaxies qui ont fusionné avec elle il y a des milliards d’années.

Le niveau de précision de Gaia rend également possible l’observation des mouvements des étoiles au sein de certains amas globulaires – c’est-à-dire des anciens systèmes d’étoiles liés entre eux par la gravité et que l’on retrouve dans le halo de la Voie lactée – ainsi qu’au sein de galaxies voisines et dans les Petit et Grand Nuages de Magellan.

Les données recueillies par Gaia ont été utilisées pour calculer les orbites de 75 amas globulaires et de 12 galaxies naines qui tournent autour de la Voie lactée. Elles fournissent des informations cruciales pour l’étude de l’évolution passée de notre galaxie et de son environnement, des forces gravitationnelles à l’œuvre, et de la répartition de la matière noire inaccessible qui imprègne les galaxies.

« Gaia est vraiment ce qui fait de mieux en matière d’astronomie », dit Fred Jansen, responsable de la mission Gaia à l’ESA.

« Les données récoltées vont occuper les scientifiques pendant plusieurs années, et nous sommes prêts à être surpris par l’avalanche de découvertes qui vont nous dévoiler les secrets de notre galaxie ».