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©EUROPEAN SPACE AGENCY / AFP

Cartographie de l'espace

Les astrophysiciens parviennent à un degré de précision de mesure de l’espace jamais atteint. Et découvrent que l’expansion de l’univers se fait encore plus vite que ce qu’ils pensaient

Le télescope spatial européen Gaia vient de dévoiler un nouveau catalogue de plus de près de deux milliards d'objets célestes de notre galaxie. Ces observations ont été menées avec une précision inégalée.

Céline Reylé

Céline Reylé

Céline Reylé est astronome à l’institut Utinam de l’université de Franche-Comté, membre du consortium Gaia (Dpac) qui comprends 500 personnes qui participe à l’élaboration du catalogue de données.

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Atlantico.fr : La première partie du troisième catalogue de données du satellite Gaia a été publiée début décembre, avec ces informations, la cartographie de l'espace n'a jamais été aussi précise, comment fonctionne cette technologie et à quoi sert cette cartographie ?

Céline Reylé : Gaia est ce qu’on appelle un satellite astrométrique. C’est la branche de l’astronomie la plus ancienne qui consiste à mesurer la position des astres sur la voute céleste, mais aussi leur distance. C’est assez difficile, quand on regarde de ciel, de l’estimer car on a l’impression que tout est projeté et certaines étoiles brillent plus que d’autres mais c’est difficile de dire si c’est parce qu’elles sont plus proches ou plus puissantes. Ce satellite permet aussi de mesurer leur mouvement car il fait plusieurs observations des étoiles. Ces calculs se font grâce à des mesures d’angles. Comme ce sont des angles très petits, l’œil ne perçoit pas qu’elles bougent, donc il faut avoir des instruments très performants. Depuis le sol on est très vites limités parce qu’il y a l’atmosphère terrestre qui bouge. Il faut donc aller dans l’espace, c’est ce qu’a fait le satellite Hipparcos avant Gaia. Gaia a été envoyé en 2013, au départ pour cinq ans et comme cela fonctionne bien et qu’il y a encore du carburant, elle devrait être prolongée jusqu’en 2023, 2024. Du point de vue technologique c’est un bond en avant car ce sont des télescopes plus grands avec des miroirs plus grands, leur angle est très stable. La position du satellite est bien connue. On a aussi un détecteur à un million de pixels, qui permet d’avoir une image de l’étoile sur le détecteur beaucoup plus précise. La mesure de distance c’est aussi une mesure d’angle. La Terre tourne autour du soleil en une année et on a l’impression que les étoiles tournent aussi par effet de perspective. Plus l’étoile est proche, plus le mouvement semble important, comme dans un train. Ce déplacement de l’étoile au cours de l’année, on peut le mesurer avec l’angle que va parcourir cette étoile. Plus la capacité de mesure est précise plus on va pouvoir étudier des étoiles lointaines. Gaia arrive à faire ça pour une grande partie d’étoiles de la voie lactée, 1 %, cela peut sembler ridicule mais ça fait 1,5 milliards d’étoiles. C’est énorme en termes de nombre et de précision. Avec Hipparcos c’était 200.000. On estime entre 150 et 200 milliards le nombres d’étoiles dans la voie lactée.

Quels sont les apports scientifiques d’une telle cartographie de l’espace ?

L’objectif premier de Gaia, c’était l’étude détaillée de notre galaxie et d’avoir une carte en trois dimensions, qui permet d’avoir une meilleure compréhension de la structure de la voie lactée : le nombres de bras spiraux, sa taille, etc. Ce sont des choses difficiles à appréhender comme on est à l’intérieur, parce qu’on ne peut pas en faire une photo globale comme avec Andromède. Le fait qu’on ait les mouvements des étoiles cela permet aussi d’avoir des informations sur son histoire et son évolution future. On a pu avoir des résultats sur les collisions avec des galaxies satellites par exemple. Après Gaia ne détecte pas que les étoiles mais aussi d’autres astres. Il n’y en a pas eu pour l’instant, mais ça peut être des exoplanètes. Il y a déjà eu énormément de découvertes d’astéroïdes, avec une détermination précise de leurs orbites et donc potentiellement des géocroiseurs, ceux qui vont passer à proximité de la Terre. Gaia est également capable de tester de la physique fondamentale, d’observer des galaxies extérieures à la nôtre, parfois très lointaines, qui vont donner des informations sur la formation de l’univers. Gaia balaie donc tous les champs de l’astrophysique. 

Une étude parue le 15 décembre s'appuyant sur les données de Gaia a entre autres permis de calculer la vitesse d'expansion de l'univers, les résultats de ces calculs sont-ils surprenants ? L'univers s'étend-il plus vite que ce que l'on croyait jusqu'à présent ?

Avant Gaia, il y avait le satellite Planck dont le but était de comprendre la formation de l’univers et qui a déterminé une certaine valeur de l’expansion de l’univers grâce à l'observation de la lumière primordiale. Gaia utilise une autre méthode qui consiste à utiliser les céphéides, des étoiles variables dont la période de variabilité de la lumière est proportionnelle à la puissance. Avec la puissance réelle on peut avoir la distance selon la quantité de lumière qu’on reçoit. Gaia mesure très précisément les distances des céphéides et cela permet de recalibrer cette relation. Avec cette nouvelle calibration ils arrivent à une valeur de l’expansion de l’univers qui est plus grande. 73,2 kilomètres par seconde par mégaparsec contre 67 avec Planck. Donc il y a une incompatibilité. Cette étude du 15 décembre confirme ce qui avait été trouvé avec Gaia DR2, la salve de données précédentes. L’expansion serait donc un peu plus rapide. Ce que ça implique c’est que le modèle standard de formation de l’univers est peut-être à revoir. 

Quelles avancées scientifiques avaient permis les deux premières salves de données de Gaia, que peut-on attendre de cette troisième salve, dont la deuxième partie sera normalement diffusée en 2022 ?

Le premier, c’était les quatorze premiers mois de données, il y avait beaucoup moins d’étoiles, donc la révolution ne s’est pas faite avec le premier, même s’il y avait déjà des choses intéressantes. C’était une belle avancée, mais c’est vraiment au niveau de la DR2 qu’il y a eu les plus extraordinaires : des distances pour un grand nombre d’étoiles lors des 22 premiers mois d’observation, les collisions avec les galaxies satellites, d’astéroïdes, des types de naines blanches – des étoiles en fin de vie – dont on n’imaginait même pas qu’elles existaient, etc. Avec Gaia DR3, c’est cette fois-ci 34 mois d’observation. On fait un nouveau bond en termes de précision. Sur les mouvements c’est deux fois meilleurs que DR2. Gaia DR2 a permis de publier 3.500 papiers. C’est la force de Gaia, il y a tellement d’observations avec tellement de précision qu’on trouve des choses insoupçonnées. Gaia observe plusieurs fois le ciel au cours de l’année et à chaque fois qu’on allonge le temps de la mission on va avoir, pour chaque étoile, plus de mesures et ainsi mieux contraindre sa position et toutes ces mesures. Ce gain en précision va continuer jusqu’à la fin de la mission. Pour ce qui est de l’astrométrie la DR3 de 2022 sera de la même précision, il faudra attendre la DR4 pour gagner en précision. Ce qu’il y a de nouveau dans la DR3, c’est qu’on prend en compte les paramètres astrophysiques : température de l’étoile, composition chimique, etc. Comme c’est un processus nouveau on a choisi de couper le troisième catalogue en deux phases. Cela va apporter une vision complètement différente qu’on n’avait pas pour ce nombre d’étoiles. Cela va permettre d’avoir des indications fortes sur la physique de l’étoile, son âge, sa masse, son rayon. Ce sont des choses difficiles à savoir et à mesurer car tout passe par la lumière. Gaia est une mission extraordinaire. Sur l’astrométrie, l’Europe est en pointe, la Nasa n’a pas d’équivalent de notre programme.

Céline Reylé est astronome à l’institut Utinam de l’université de Franche-Comté, membre du consortium Gaia (Dpac) qui comprends 500 personnes qui participe à l’élaboration du catalogue de données.

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