Gaia : l’astrophysique fait un bond en avant avec le second catalogue

Ce 25 avril marque la seconde édition du catalogue d’étoiles de la Voie Lactée réalisé par le satellite Gaia. Il comprend la position et la luminosité dans le ciel de près de 1,7 milliard d’étoiles, ainsi que les mesures de la parallaxe et du mouvement propre de près de 1,33 milliard d’étoiles.

Le satellite Gaia de l’Agence Spatiale Européenne a décollé en décembre 2013 et a commencé sa mission scientifique en juillet 2014. Depuis sa position équilibrée au point de Lagrange L2 à 1,5 million de kilomètres de la Terre, l’observatoire spatial réalise 3 types d’observations : 

  • Astrométrie, soit la mesure de la position des étoiles,
  • Photométrie, la mesure d’éclat des étoiles, leur lumière (quantité, couleur…),
  • Spectrométrie, la mesure de la vitesse (en km/s) des étoiles par rapport à la Terre, en éloignement ou en rapprochement.

Une vue de tout le ciel de notre galaxie, la Voie Lactée et des galaxies voisines, basée sur des mesures de près de 1,7 milliard d’étoiles. La carte montre la densité d’étoiles observée par Gaia dans chaque partie du ciel entre juillet 2014 et mai 2016. Les régions plus claires indiquent des concentrations d’étoiles plus denses, tandis que les régions plus sombres correspondent à des taches du ciel où moins d’étoiles sont observées. Cette vue montre la distribution de toutes les étoiles, y compris celles qui sont faibles et éloignées. La structure horizontale brillante qui domine l’image est le plan galactique, le disque aplati qui héberge la plupart des étoiles dans notre galaxie, avec le centre galactique au milieu (credit ESA/Gaia/DPAC).

Lire : Objectif de la mission GAIA

Une révolution pour l’astrophysique

« Les scientifiques du monde entier vont devoir revoir tous leurs manuels d’astrophysique » c’est ce qu’a déclaré ce 25 avril le président de l’Observatoire de Paris lors de la conférence de presse qui a été donnée par l’Observatoire lors de la publication de ce second catalogue de Gaia.

Hipparcos est le premier satellite d’astrométrie, lancé en août 1989 et, malgré une orbite défectueuse, il observa plus d’un million d’étoiles jusqu’en mars 1993, avec une précision inégalée à l’époque. Une première révolution. Mais Gaia va bien au-delà d’Hipparcos et réalise l’observation de plus d’un milliard d’étoiles, même si cela représente moins de 1% de la Voie Lactée.

(crédits : Knut Lundmark, Lund Observatory).

Un premier catalogue d’étoiles est paru en septembre 2016 avec la position de près de 1,4 milliard d’étoiles.

La deuxième édition, DR2 ou Data Release 2, publiée ce 25 avril contient :

  • la position sur le ciel et la luminosité de 1 692 919 135 étoiles
  • des mesures de la parallaxe et du mouvement propre de 1 331 909 727 étoiles
  • les couleurs de 1,38 milliard d’étoiles
  • les vitesses radiales de 7 224 631 étoiles
  • des informations sur 550 737 sources variables
  • une estimation de la température de surface pour 161 497 595 étoiles
  • une mesure de la quantité de poussière le long de la ligne de visée pour 87 733 672 étoiles,
  • des mesures du rayon et de la luminosité de 76 956 778 étoiles.

La deuxième version des données de Gaia publiée le 25 avril 2018 résumée en chiffres (credits ESA, CC BY-SA 3.0 IGO)

Dans la vidéo ci-dessous, un voyage virtuel nous emmène du Soleil de notre Système Solaire jusqu’à notre galaxie, la Voie Lactée. La vue de gauche est basée sur la position 3D de 1,4 million d’étoiles pour lesquelles les parallaxes ont été estimées à l’aide de la solution astrométrique Tycho-Gaia (TGAS) dans le cadre de la première publication Gaia publiée en 2016. La vue à droite est basée sur la position 3D de près de 97 millions d’étoiles de la deuxième publication, publiée en 2018. La majorité de ces étoiles ont les mesures de parallaxe les plus précises dans l’ensemble de données, qui peuvent être utilisées pour estimer directement les distances individuelles.

Cette cartographie est réalisée avec une précision jamais égalée de la Voie Lactée, environ 400 fois plus que les précédents catalogues comme Hipparcos. Et cette deuxième publication de Gaia « ne couvre que  » les 22 premiers mois d’observation (pour DR1, c’était les 14 premiers mois).

Comparaison des données connues sur les étoiles observées par Gaia par rapport à ce qui était connu précédemment (crédit Observatoire de Paris)

14 000 objets du Système Solaire

Le nouveau catalogue de données contient également la position de 14 099 objets du système solaire, principalement des astéroïdes, basée sur plus de 1,9 million d’observations, avec une précision 1000 fois plus grande que les mesures des astéroïdes depuis le sol.

Les orbites de plus de 14 000 astéroïdes dans notre Système Solaire, vues par le satellite Gaia de l’ESA, en utilisant les informations de la deuxième publication de données de la mission. Les orbites de la Terre et de Jupiter sont indiquées à titre de référence; le Soleil est au centre. Dans la vue de gauche, les orbites sont codées par couleur en fonction de la proximité des astéroïdes au Soleil: les astéroïdes proches de la Terre apparaissent en bleu et violet, les astéroïdes dans la Ceinture principale entre les orbites de Mars et Jupiter sont jaunes et verts, et les astéroïdes Trojan, trouvés autour de l’orbite de Jupiter, sont rouges et orange. Dans la vue de droite, les orbites sont codées en couleur en fonction des propriétés de réflexion de la surface de l’astéroïde, ou de l’albédo. Des astéroïdes noirs à albédo élevé (en rouge) dominent les régions externes, tandis que des objets plus brillants (avec albédo intermédiaire en jaune et vert et albédo élevé en bleu et violet) se trouvent dans la ceinture principale intérieure. Les astéroïdes près de la Terre montrent une variété d’albédos différents. Les informations sur l’albédo proviennent de la mission Wide Infrared Space Explorer de la NASA. (credit ESA/DPAC)

Dans les prochaines versions du catalogue, Gaia devrait fournir également des spectres des astéroïdes et permettra une caractérisation complète de la Ceinture d’astéroïdes. Ces informations dynamiques et physiques devraient permettre d’améliorer la compréhension de l’origine et de l’évolution du Système Solaire.

 

Le challenge du traitement des données

Gaia exécute 500 millions de mesures par jour. 50 Giga-octets de données par jour (soit environ 10 DVD) sont ensuite transmises via les 3 stations sol de l’ESA au centre de mission de l’ESAC près de Madrid. Mais les mesures brutes du satellite qui arrivent au sol après un premier traitement à bord ne sont pas exploitables par les astrophysiciens telles quelles.

Un consortium d’analyse des données de Gaia, le DPAC (Data Processing and Analysis Consortium)  constitué de plus de 20 pays européen, a préparé et conçu le traitement de ces données. 

Le DPAC : Consortium de traitement et d’analyse des données de Gaia (credit ESA)

Les différents centres de traitement, les DPC (Data Processing Center), copient les données, les traitent et les multiplient (par 5 en moyenne) et calculent pour chaque étoile un ou plusieurs paramètres astrophysiques (quelques kilo-octets par étoile).

Gaia : une participation française importante

Au-delà de l’intégration, l’assemblage et les tests du satellite chez Airbus Defence and Space à Toulouse, la participation d’équipes scientifiques françaises à la mission Gaia représente plus de 20% de ce programme européen. L’observatoire de Paris, l’Institut d’Astrophysique de Paris, des laboratoires à Nice, Besançon, Bordeaux, Grenoble, Strasbourg et Montpellier contribuent au programme à travers la conception des instruments optiques, le traitement de données, le suivi au sol, etc…

A Toulouse, le CNES est l’un des centres de traitement des données du satellite Gaia, le DPCC. 40% des traitements des données de Gaia sont réalisés au CNES avec une capacité de calcul sans précédent au niveau spatial. En effet, sans ces moyens pour traiter un milliard d’étoiles pendant ne serait-ce qu’1 seconde par étoile, il aurait fallu environ 30 ans de traitement en continu.

J’ai eu l’occasion de rencontrer une partie de l’équipe en charge de ce Data Center très « spatial ». Vous pourrez retrouver toutes les informations à ce sujet dans mon article du magazine Espace&Exploration n°45 disponible sur commande en ligne.

Des données jusqu’en 2020 ou plus ?

La Gaia DR3 (3e parution), prévue en 2020, devrait couvrir 34 mois de données, déjà recueillies et en cours de traitement. Gaia DR4, prévue en 2022, devrait prendre en compte l’intégralité des cinq années de données brutes de la mission primaire.

En effet, la mission Gaia est prévue initialement jusqu’en juin 2019 mais les réserves en gaz froids propulseurs qui permettent la rotation du satellite et le scan du ciel par les 2 télescopes devraient être suffisantes pour avoir une mission étendue jusqu’en 2022 voire 2023.

A moins qu’une défaillance d’un équipement électronique ne vienne perturber la mission. Malheureusement, depuis février 2018, l’un des 2 transpondeurs du satellite est en panne et les données transitent donc vers la Terre grâce au transpondeur redondant. Des investigations sont en cours pour connaître l’origine de cette défaillance. Une panne sur le transpondeur redondant serait fatale pour la mission. A suivre.

L’essentiel de la seconde publication du catalogue de GAIA (DR2) en infographie (Crédit : CNES)

A lire aussi :

Toutes les vidéos sur Gaia sont à retrouver sur cette playlist dont les dernières publiées par l’ESA ou le CNES :

2 réflexions sur “Gaia : l’astrophysique fait un bond en avant avec le second catalogue

  1. suite

    « L’essentiel de la seconde publication du catalogue de GAIA (DR2) en infographie (Crédit : CNES) »

    NB : en bon français, il aurait fallu écrire 1,5 million et 1,7 milliard.
    Comme quoi, tout le monde peut se tromper, même les éléphants !…

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