Objectif de la mission GAIA

L’objectif de Gaia est de faire une cartographie « 3D » et « dynamique » d’un milliard d’étoiles (les plus brillantes) de notre galaxie la Voie Lactée.

 Cela revient à observer 1 milliard d’objets sans aucun a priori sur toute la surface du ciel pour mesurer :

• leur position (dans un cadre de référence constitué d’objets suffisamment lointains pour être considérés comme immobiles par rapport aux objets proches)
• leur distance (par la mesure de parallaxe absolue)
•  leur mouvement (par une mesure de la vitesse radiale le long de l’axe d’observation : par effet Doppler, le spectre de la lumière émise par une étoile est décalé vers le « bleu » (courtes longueurs d’onde) si l’étoile se rapproche de nous et vers le « rouge » si l’étoile s’éloigne))
• leurs propriétés physiques.

L’objectif de précision de localisation des étoiles les plus brillantes est de l’ordre de 10 µas (micro-arcseconde), soit l’équivalent d’observer une pièce de 2 centimes d’euros sur la Lune.

Les objectifs scientifiques détaillés :

Cosmologie :

Dans notre galaxie …

• distribution des distances et des vitesses de toutes ses populations d’étoiles
• structure spatiale et la dynamique de son disque et de son halo
• histoire de sa formation
• une carte détaillée de la distribution de sa matière noire.

… et au-delà

• réévaluation des distances extragalactiques jusqu’aux nuages de Magellan
• grande réactivité aux alertes de supernovae et sources éruptives (~20,000)
• détection de quasars, mesures de redshifts, détection de microlentilles gravitationnelles (~500,000)
• gain d’un facteur 10 sur la précision de mesure de grandeur fondamentale.

Astrophysique stellaire :

Calibration de la luminosité, par exemple :

• distances à mieux que 1% pour ~10 millions d’objets jusqu’à 2.5 kpc
• distances à mieux que 10% pour ~100 millions d’objets jusqu’à 25 kpc
• types stellaires rares et phases d’évolution rapide en grands nombres
• calibration de la parallaxe de tous les indicateurs de distances: par exemple, les Céphéides et RR Lyrae des nuages de Magellan

Propriétés physiques, par exemple :

• diagramme Hertzsprung–Russell épuré pour la Voie Lactée
• fonction de masse et de luminosité du voisinage solaire (naines blanches (~400 000) et brunes (~50 000))
• fonction de luminosité des étoiles de la préséquence principale
• détection et datation de tous les types spectraux et de toutes les populations stellaires de la galaxie
• détection et caractérisation de la variabilité de tous les types spectraux

Recherches d’exoplanètes :

Sondage astrométrique :

• surveillance de ~150,000 étoiles de type GFK jusqu’à ~200 pc
• limite de détection: ~1M_J et P < 10 ans
• recensement complet du mouvement des étoiles sur P ~ 2–9 ans
• détermination des masses au lieu d’une limite inférieure (m sin i)
• mesure de position des systèmes multiples fournissant la mesure de leur inclinaison relative

Résultats attendus :

• ~2000 exoplanètes (systèmes simples)
• ~300 systèmes à plusieurs exo-planètes
• orbites de ~1000 systèmes
• détermination des masses >10 M_Terre jusqu’à 10 pc

Dans notre système solaire :

Astéroïdes,  etc… :

• détection d’objets mobiles (<20 mag)
• ~250,000 objets observés, majoritairement dans la ceinture principale
• calcul des orbites: précision 30 fois meilleure, sur une période de 100 ans
• mesure de la direction des axes de rotation, de la période de rotation, des paramètres de forme pour la majorité des corps observés
• diamètres précis à 20% pour ~1000 objets, masses précise à 10% pour ~150
• satellites troyens de Mars, la Terre et Venus
• objets de la ceinture de Kuiper: ~50 objets
• Centaures entre Jupiter et Neptune: ~50 objets

Objets proches de l’orbite terrestre:

• Amors, Apollos et Atens (resp 3070, 3675, 610 connus à ce jour)
• ~1600 géocroiseurs >1 km en prédiction (1155 connus actuellement)
• limite de détection: 260–590 m de diamètre à 1 UA, selon leur albédo

Tous ces objectifs font appel à l’astrométrie (position, distance et vitesse des objets) , la spectrométrie HR (contenu énergétique du rayonnement de l’objet) et la photométrie (quantité de lumière émise par l’objet, dans différentes bandes spectrales). Cela nécessite 3 instruments embarqués.

La conception de Gaia sur la page GAIA le successeur d’HIPPARCOS.