Le 3e catalogue de données de Gaia, l’observatoire spatial de l’Agence Spatiale Européenne, a été publié ce 13 juin.

Positionné au point de Lagrange L2 à 1,5 million de kilomètres de la Terre, il permet une cartographie multidirectionnelle de la Voie Lactée, la plus précise et la plus complète à ce jour.

Le satellite aux 2 télescopes réalise 3 types d’observations en continu :

• 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, et le spectre lumineux des objets observés.

Ces données permettent l’étude de la formation et de l’évolution de la Voie Lactée et son environnement galactique.

Depuis les débuts de sa mission scientifique en juillet 2014 (décollage en décembre 2013), 2 catalogues de résultats ont été publiés en 2016 et 2018. Ce 3e catalogue présente des données collectées entre le 25 juillet 2014 et le 28 mai 2017.

Les points forts de la mission :

• variété des données
• précision des mesures
• répétition des observations
• homogénéité des résultats
• fiabilité des incertitudes

Ce sont près de 70 millions d’objets détectés par jour : des étoiles, mais aussi un ensemble d’objets du Système Solaire et de la Voie Lactée, des amas globulaires, des galaxies naines, des quasars et des sources extragalactiques.

DR3 : des chiffres astronomiques

La 3e édition des données de GAIA, ou DR3 pour Data Release 3, est impressionnante :

Tous les champs de l’astronomie sont touchés par les résultats. DR3 surpasse de plusieurs ordres de grandeur (10 à 100) tous les relevés sols existants ou planifiés à ce jour.

Gaia est une révolution

François Mignar, responsable scientifique de Gaia France, lors de la publication de DR3 – 13/06/2022

Le traitement des données : le DPAC

Alors que GAIA collecte la lumière des étoiles et d’autres objets célestes, et même si un premier traitement est réalisé à bord du satellite, l’essentiel du processing est réalisé dans 6 centres : le DPAC pour Data Processing and Analysis Consortium.

Le DPAC est un consortium européen sélectionné par l’ESA en 2006 d’environ 450 membres (chercheurs et ingénieurs) de 25 pays.

Sa mission : la conception, le développement, la réalisation et la validation des traitements, la fourniture de l’infrastructure de traitement et la mise à disposition des produits pour la communauté scientifique. Le DPAC permet le traitement quotidien et cyclique, et la production des catalogues des données de Gaia.

Une grosse participation française au DR3

Le DPAC en France c’est une centaine de personnes (soit ~22% du DPAC) répartie entre les laboratoires de recherche et le CNES (25 personnes).

Avec ses 5 chaînes de traitement, le CNES a effectué environ 40% de l’activité d’analyses des datas et environ 80% des produits du catalogue DR3, 2 fois plus complexes que le précédent catalogue DR2, et cela malgré la crise sanitaire.

Le centre du CNES, c’est 350 serveurs, 6000 cœurs, 5000 téraoctets ( >10 000 téraoctets pour les 6 centres DPAC) et un taux de 99% de disponibilité.

A titre de comparaison, le catalogue DR3 aurait nécessité le travail de 460 ans sur un PC standard au lieu des 3 ans pour traiter les données de 34 mois d’observation, entre juillet 2014 et mai 2017.

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Quelques exemples de résultats de Gaia

Les données de Gaia font l’objet de nombreuses publications scientifiques à travers le monde, et elles dépassent même en nombre celles du télescope spatial Hubble.

Lors de la publication de DR3, un évènement était organisé le 13 juin à l’Observatoire de la Côte d’Azur à Nice (re. Parmi les présentations que j’ai regardées à distance (lien), et les différents textes sur le site de Gaia (dont j’en ai recopié la traduction pour certaines explications scientifiques au-dessus de mes compétences), voici les grandes découvertes que j’ai retenues :

Les vitesses radiales de près de 34 millions d’étoiles

En utilisant le décalage Doppler observé des raies spectrales d’une étoile par rapport à leurs longueurs d’onde au repos, les astronomes sont capables de mesurer la vitesse le long de la direction vers l’étoile, c’est-à-dire si l’étoile s’éloigne ou se rapproche de nous. En combinant ces vitesses en ligne de visée avec les mouvements propres (les mouvements des étoiles dans le ciel), on obtient le vecteur de vitesse complet.

Gaia fournit pour la première fois le plus grand volume de vitesse des étoiles entièrement cartographiée dans toutes les directions pour environ 33 millions d’étoiles, donnant un ensemble de données étonnant pour les études sur la cinématique de notre Voie lactée.

L’ensemble de données avec des composants de vitesse complets, dérivés à la fois des vitesses de ligne de visée et des mouvements propres, est visualisé dans la carte du ciel ci-dessous. Ici, le rouge montre les parties du ciel où le mouvement moyen des étoiles est éloigné de nous, et le bleu montre les régions où le mouvement moyen des étoiles est vers nous. Les lignes visibles sur la figure tracent le mouvement des étoiles projetées sur le ciel, appelé mouvement propre. Ces lignes montrent comment la direction du vecteur vitesse varie selon la latitude et la longitude galactiques.

Ces vitesses mesurées sont toutes relatives au Soleil, qui est lui-même en orbite autour du centre de la Galaxie. En tenant compte du mouvement propre du Soleil, les scientifiques peuvent transformer ces vitesses relatives en mouvements par rapport au centre galactique.

Ainsi la vitesse de rotation du Soleil autour du centre galactique est estimée entre 200 et 240 km/s (800 000 – 850 000 km/h). Pour le Soleil, il lui faudra environ 220 millions d’années pour effectuer une orbite.

Tout dans notre galaxie orbite autour de son centre, un peu comme un mince disque en rotation. Les étoiles plus proches du centre voyagent sur des orbites plus lentes mais plus courtes et prennent moins de temps pour faire une orbite complète par rapport aux étoiles proches du Soleil. La carte des vitesses tangentielles montre une vitesse décroissante vers le centre galactique.

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La composition des étoiles

Mieux connaître la composition des étoiles, c’est mieux comprendre l’histoire de la Voie Lactée et de tout l’Univers. Gaia fournit des informations élémentaires sur les étoiles sous la forme d’estimations de métallicité* et d’abondances stellaires grâce à un ensemble de données homogènes et la plus importante à ce jour. En effet, Gaia observe en continu, sans source de pollution lumineuse ou atmosphérique et revient sur une même source de lumière en moyenne 70 fois en 5 ans.

Cet ensemble de données est basé sur les spectres BP / RP (bleu de ∼ 330 à 680 nm / rouge de ∼ 640 à 1050 nm) basse résolution et les spectres RVS haute résolution.

*Les astrophysiciens appellent «métaux» tous les éléments chimiques qui existent en dehors de l’hydrogène et de l’hélium (produits principalement pendant le Big Bang). Si une étoile est pauvre en “métaux”, il s’agit d’une étoile primitive ou de type Soleil. Si l’étoile est riche en métaux, sa composition chimique est généralement plus récente. L’abondance métallique des étoiles est généralement exprimée dans une échelle logarithmique par rapport à celle de notre Soleil (métallicité mise à 0). Le Soleil est toutefois composé d’environ 2% de métaux (formé à 4,6 milliards d’années). Une étoile formée il y a 13 milliards d’années est composée de 0,0005% de métaux soit 3500 fois moins que le Soleil (le Big Bang est évalué à 13,7 milliards d’années).

Dans cette carte du ciel, on peut voir la diversité de compositions chimiques due au mélange de différentes générations d’étoiles et de différentes origines (migration des étoiles vers le centre de la galaxie et arrivée d’étoiles de galaxies proches). Les étoiles formées dans des galaxies satellites puis accrétées sont détectées grâce à leur composition particulière. Les étoiles formées dans les premières époques de l’Univers ont des compositions chimiques très primitives : quasi-absence de métaux.

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Des étoiles binaires

Une bonne partie des étoiles ne sont pas seules. Le catalogue Gaia DR3 contient pour la première fois plus de 433 000 systèmes stellaires multiples pour lesquels des orbites pourraient être déterminées.

Gaia a permis la détection de nombreuses étoiles binaires :

• Environ 135 000 étoiles binaires astrométriques (par détection du mouvement du photocentre), soit 40 fois le nombre détecté depuis la Terre
• Environ 87000 étoiles binaires à éclipses (variation de la courbe de la lumière)

Grâce aux différents instruments de Gaia, la détermination de systèmes à multi-étoiles est possible en combinant différentes données issues de l’astrométrie et la spectrométrie :

Dans les systèmes multi-étoiles, deux objets ou plus tournent l’un autour de l’autre. La combinaison de différents objets et la façon dont ils s’orbitent ont des signatures distinctes. Lorsque les objets se tournent l’un autour de l’autre avec une séparation suffisamment grande entre les objets, leur oscillation sur le ciel peut plus facilement être détectée par l’astrométrie. Lorsque les objets sont en orbite les uns avec les autres avec une petite période, de l’ordre des heures aux jours, leur proximité rend le transit de l’un devant l’autre plus susceptible d’être orienté le long de la ligne de visée, qui se distingue ensuite par la baisse régulière de luminosité. Pendant de courtes périodes également, les variations de vitesse radiale dues au mouvement orbital peuvent être importantes, puis l’orbite peut être détectée par le spectromètre. Dans la plupart des cas, cependant, le système est si éloigné que les différentes composantes du système ne peuvent pas être vues individuellement. Dans de tels cas, une seule source est visible : le photocentre du système, c’est-à-dire, l’endroit d’où vient la lumière combinée.

Les astronomes ont ainsi déterminé que les étoiles les plus jeunes sont au centre du disque galactique, les plus vieilles en dehors du disque.

Gaia est en fait un détective qui identifie des étoiles binaires potentielles qui seront confirmées par des observations depuis des télescopes terrestres. Le télescope spatial permet aussi d’identifier des nouvelles exoplanètes candidates pour des recherches complémentaires par d’autres télescopes spatiaux ou terrestres.

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Entre les étoiles, le milieu interstellaire

Gaia cartographie non seulement les étoiles de notre galaxie, mais aussi ce qui se trouve entre les étoiles : le milieu interstellaire, composé principalement de poussière et de gaz. L’ISM (InterStellar Medium) est le matériau dont naissent les étoiles. Ces étoiles, à leur tour, réchauffent le milieu interstellaire lorsqu’elles meurent et y ensemencent les nouveaux éléments chimiques qu’elles ont produits par fusion nucléaire tout au long de leur vie. La poussière contenue dans l’ISM protège également les molécules de la destruction par le rayonnement UV des étoiles. Ce blindage est crucial pour la formation des planètes et pour le type de molécules qui finissent par faire partie des planètes nouvellement formées. L’étude des propriétés de la poussière, telles que sa distribution tridimensionnelle et les variations de densité, est essentielle pour comprendre la physique de cet équilibre délicat.

Lorsque la lumière des étoiles traverse un nuage de poussière, une partie de la lumière est dispersée, et ainsi l’étoile apparaîtra un peu plus sombre que sans la poussière, un effet connu sous le nom d’extinction. Pour la lumière à différentes longueurs d’onde mesurées par Gaia, donc pour les différentes couleurs observées, l’effet varie : la lumière à des longueurs d’onde plus courtes (vers l’extrémité bleue du spectre) est diffusée plus fortement que celles à des longueurs d’onde plus longues (extrémité rouge du spectre). Cette dépendance caractéristique de la longueur d’onde permet aux astronomes de reconstituer la quantité d’extinction de la lumière des étoiles, qui est liée à la quantité de poussière et de gaz qui se trouve entre nous et cette étoile.

Avec les mesures de parallaxes des étoiles par Gaia, les astronomes peuvent déterminer la distribution du milieu interstellaire de l’extinction mesurée grâce à l’analyse des nombreuses étoiles avec les spectres Gaia BP et RP. GSP-Phot est le logiciel qui a analysé environ 500 millions d’étoiles dans la publication de données Gaia DR3. Plus précisément, il en a déduit la distance, la température, la chimie et la quantité d’extinction pour chacune de ces étoiles.

Une autre technique pour caractériser le milieu interstellaire consiste à mesurer ses empreintes chimiques sur la lumière dispersée des étoiles.  De nombreuses raies d’hydrogène (H), de calcium (Ca) ou d’azote (N) y sont bien visibles. Ces raies sont produites dans l’atmosphère des étoiles et reflètent la présence et l’abondance de ces éléments dans les atmosphères d’étoiles supergéantes.

L’énigme de la Bande Diffuse Interstellaire (DIB)

L’une de ces empreintes, les bandes interstellaires diffuses (DIB), ont des caractéristiques d’absorption dont on ne sait pas actuellement par quelles molécules elles sont crées. Les DIB sont difficiles à observer à partir de télescopes au sol en raison de l’atmosphère terrestre. A l’emplacement de Gaia, les conditions d’observation sont idéales et les données RVS fournissent des mesures de haute qualité de la force du DIB à la longueur d’onde de 862 nm. Mais l’origine exacte des DIB reste encore inconnue même après un siècle d’études.

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L’étude du Système Solaire aussi

Le 3e catalogue de données Gaia fournit des informations clés sur 158 152 objets du Système Solaire grâce à 23,3 millions de mesures sur 34 mois : des astéroïdes mais aussi 31 lunes de Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune.

Gaia permet d’en savoir plus sur les trajectoires des astéroïdes dans l’espace.

Pour la première fois, les astronomes ont également à leur disposition des spectres de réflectance de 60 000 astéroïdes qui permettent d’en savoir plus sur leur forme et composition, grâce au photomètre (bleu & rouge) à bord de Gaia (instruments BP et RP). Il s’agit d’un catalogue impressionnant augmentant la quantité de spectres de réflectance d’astéroïdes connus avec un facteur supérieur à 10 : jusqu’à présent, « seulement » environ 4500 astéroïdes avaient un spectre de réflectance, dans un échantillon d’environ 7000 spectres obtenus principalement du sol, dispersés dans différents catalogues, obtenus avec différents instruments et calibrés de différentes manières. Avec Gaia, c’est désormais un catalogue homogène à disposition des astronomes.

L’étude des bandes d’absorption par exemple de l’eau permet de mesurer la présence de minéraux et de substances biologiquement intéressants pour des explorations futures.

Au fil du temps, de gros astéroïdes se décomposent en plusieurs astéroïdes plus petits. Ces astéroïdes plus gros étaient les ancêtres de certains de nos astéroïdes actuels. Les astéroïdes formés à partir du même ancêtre et partageant des orbites similaires sont appelés une famille. La comparaison des spectres obtenus par Gaia aux spectres des météorites analysées en laboratoire (météorite HED, chondrite ordinaire et chondrite carbonée) permet de classer les astéroïdes découverts par Gaia en famille.

Les spectres de réflectances de petits corps, astéroïdes, comètes et objets transneptuniens, qui contiennent la matière la moins transformée qui remonte à la formation de notre système solaire il y a 4,5 milliards d’années, permettent d’en savoir plus sur l’histoire de notre Système Solaire.

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Gaia voit très loin

Gaia voit également des objets au-delà de la Voie Lactée : des quasars ou des objets extragalactiques.

À la fin de la mission, Gaia aura observé chaque objet en moyenne 140 fois, de sorte que les objets étendus comme les galaxies sont entièrement couverts d’observations.

Plus d’un million de noyaux galactiques actifs et 2,5 millions de candidats galaxies ont été identifiés à travers tous les objets vus par Gaia grâce à leurs propriétés astrométriques, leur spectre BP/RP, leur luminosité, leurs courbes de variabilité. Gaia mesure leur “redshift” (décalage vers le rouge) et ainsi leur distance cosmologique.

Environ 1 million de galaxies ont été analysées. Gaia explore une population de galaxies pour laquelle la morphologie ne peut pour la plupart pas être mesurée à partir du sol. À partir des mesures de décalage vers le rouge fournies par Gaia, il est possible d’estimer le temps pris par le photon pour nous atteindre. Pour la galaxie la plus éloignée de Gaia Data Release 3, il a fallu 5,4 milliards d’années de voyage alors que pour la plus proche, ce n’est que 0,2 milliard d’années. Le rayon effectif mesuré caractérisant la morphologie est un rayon apparent. On remarque, comme prévu, que plus les galaxies sont éloignées, plus les galaxies sont petites.

Gaia permet d’étudier aussi les quasars, les coeurs actifs très énergétiques de galaxies massives, extrêmement distantes. Les quasars sont si éloignés que leur mouvement physique par rapport au Système Solaire est incroyablement petit, et leur mouvement attendu est inférieur à la limite de détection de Gaia.

Parce que leurs positions sont fixes dans les observations de Gaia, les quasars peuvent être utilisés comme points de référence. Une sélection de quasars connus a été utilisée comme ensemble de points de référence pour former un cadre de référence optique ou Gaia CRF3, Gaia Celestial Reference Frame.

Matérialisé par 1,6 million de quasars (soit trois fois plus que pour Gaia DR2), Gaia-CRF3, système de référence céleste, est aligné sur le repère de référence international (ICRF) à mieux que 0,01 milliseconde de degré.

Cet ensemble de données fournit, pour la première fois, une étude du Ciel de la morphologie des galaxies hébergeant un quasar.

Les quasars résultent de l’interaction d’un trou noir supermassif central avec la matière galactique environnante. Habituellement, les galaxies hôtes des quasars sont trop éloignées pour être mesurées et étudiées mais, grâce au pouvoir de résolution exceptionnel de Gaia, il a été possible de détecter et d’analyser certaines de ces galaxies hôtes, assez proches de la Voie Lactée. Grâce à des algorithmes spécifiques, il a été possible d’analyser 1,1 million de quasars et de détecter une galaxie hôte dans 64 000 d’entre eux. Parmi celles-ci, environ 15 000 ont révélé que la plupart des galaxies hôtes du quasar sont essentiellement des galaxies à disque.

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La suite ?

La mission initiale de Gaia devait s’arrêter à mi-juillet 2019. Vu que tout se passe à peu près bien pour Gaia (mis à part un transpondeur défectueux sur 2), la mission a été étendue jusqu’au printemps 2025. Il ne devrait pas être envisageable de la poursuivre au-delà en raison des stocks limités à bord de gaz froid qui permettent le maintien en orbite de Lagrange et la rotation du satellite.

Le prochain catalogue DR4 devrait arriver à fin 2025 avec 66 mois de données, soit 2 fois plus de données que DR3. Le dernier catalogue devrait paraître fin 2030 avec 10 ans de données et donc encore plus de découvertes !

Merci au DPAC

Merci aux scientifiques qui ont rédigé de nombreux articles sur le site des résultats de Gaia avec des illustrations qui viennent en compléments de leurs publications scientifiques : F. Arenou, J. Sahlmann, A. Jorissen, M. Barstow, N. Bauchet, Tineke Roegiers, Ronald Drimmel, Mercé Romero-Gómez, Paola Sartoretti, David Katz, Alex Lobel, Owain Snaith, Coryn Bailer-Jones, Catrina Diener, Christine Ducourant, Sergei Klioner, etc… En fait, merci à toutes les personnes du DPAC qui nous partagent ces résultats même aux plus néophytes comme moi.