Détection et observation des objets

Contrairement à Hipparcos, aucune sélection préalable des objets à observer n’est faite pour Gaia : Gaia va observer systématiquement tous les objets plus brillants que la magnitude 20 (400 000 fois moins brillants que les objets observables à l’œil nu par très beau temps), à l’exception des 6000 étoiles les plus brillantes. Il est donc nécessaire d’avoir, à bord du satellite, un système fiable et performant pour sélectionner, en temps réel, les objets suffisamment brillants pour être observés, et éliminer les signaux parasites tels que les rayons cosmiques. Voir aussi Test du système de détection.

La sélection est effectuée en quatre étapes successives, illustrées par les quatre schémas ci-dessous :
(a) Tous les objets présents dans le champ sont détectés en temps réel lorsqu’ils passent dans les deux premières colonnes de CCDs du plan focal, les "repéreurs d’étoiles". Leurs positions et leurs flux sont déterminés. Cette première étape va permettre d’identifier les objets à observer et apporter les informations nécessaires à leur mesure lors de leur passage dans le reste du plan focal. De plus, la présence d’un objet dans l’une ou l’autre de ces deux premières colonnes permet de savoir s’il provient de l’un des champs de vue ou de l’autre.
(b) Les objets plus faibles que la magnitude 20 ou plus brillants que la magnitude 6 sont éliminés.
(c) Le passage des sources dans la colonne de CCDs suivante permet d’éliminer les rayons cosmiques et de confirmer que les autres objets sont à observer.
(d) Le dernier schéma montre la sélection finale. Celle-ci permettra de n’activer que les pixels utiles aux mesures lors du transit des sources à travers les champs astrométrique, spectrophotométrique et spectroscopique.

Les caractéristiques statistiques du catalogue final de Gaia en terme de couverture du ciel et de représentativité des différentes populations d’étoiles dans la Galaxie ou d’astéroïdes dans le Système Solaire dépendent donc directement de la qualité de ce système de sélection.

L’équipe de Meudon a participé très activement à l’étude de cette phase cruciale en développant un simulateur d’images, GIBIS, et un algorithme de détection et de sélection des objets à observer par Gaia, Pyxis. Ces deux outils, utilisés par l’ensemble de la communauté Gaia, permettent d’étudier les performances de Gaia pour les différents types d’objets observables et dans toutes sortes de zones du ciel : étoiles dans des systèmes multiples, dans des amas plus ou moins denses, plus ou moins lontains, étoiles dans le plan galactique, affectées par la présence de nuages de poussière et de gaz, étoiles dans les zones très denses du centre galactique, nébuleuses planétaires, galaxies lointaines, etc. etc.

Pour en savoir plus, voir la description de Pyxis et du traitement à bord. Voir aussi le site de l’ancien groupe de travail On-board detection qui montre les travaux préliminaires effectués de 1998 à 2004 pour optimiser l’algorithme de détection et les repéreurs d’étoiles.

Simulation d’images Gaia

Un simulateur, GIBIS, a été réalisé permettant d’obtenir des images comportant différents objets, étoiles, galaxies, étoiles doubles, amas ouverts et globulaires, placés sur un fond de ciel. Ces images sont obtenues soit à partir de simulations les plus réalistes possibles des sources astronomiques correspondantes, soit à partir d’images du HST, et en prenant en compte les caractéristiques principales de l’instrument (réponse de l’instrument, bruit de lecture, rayons cosmiques...).

Algorithme de détection

En utilisant les images crées par le simulateur, nous avons pu développer un algorithme de détection d’étoiles, Pyxis, adapté aux caractéristiques des images Gaia dans le but d’obtenir un algorithme rapide (la détection se faisant à bord), robuste (évitant les fausses détections et efficace aussi bien en champs denses qu’en présence de fortes variations du fond de ciel) et précis (pour un bon suivi de l’étoile). L’algorithme a été écrit de manière à faciliter le portage vers une solution mixte hardware/software. Après la détection suit la phase de sélection des fenêtres à observer.

Pyxis a servi de prototype pour la réévaluation à la hausse des ressources de traitement à bord, puis de référence pour l’algorithme industriel.

Observabilité des différents objets

La combinaison du simulateur et de l’algorithme de détection ont permis d’obtenir les taux de détection et de fausses détections ainsi que les précisions en position et magnitude.

Nous avons étudié en particulier comment Gaia allait pouvoir observer les amas ouverts et globulaires en terme de taux de détection et de précision.