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.