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Une année d’observations scientifiques

21/08/2015.
272 milliards de mesures astrométriques (positions), 54,4 milliards d’observations photométriques (luminosités apparentes) et 5,4 milliards de spectres : ceci est la moisson de Gaia en un an, depuis le démarrage, le 21 août 2014, de ses observations scientifiques avec le mode de balayage normal (balayage systématique du ciel).

Après le lancement, le 19 décembre 2013 et une longue période d’étalonnage en orbite, Gaia a commencé ses opérations scientifiques le 25 juillet 2014 par des observations répétées des pôles écliptiques. Ces observations, pendant 28 jours consécutifs, des deux mêmes zones du ciel, avaient pour but d’accumuler de très nombreuses données sur les mêmes étoiles, dont un certain nombre avaient été au préalable soigneusement observées au sol, et d’obtenir ainsi une bonne base pour la calibration des différents instruments de Gaia. Ces observations répétées ont par ailleurs permis la mesure, mais aussi la découverte, de très nombreuses étoiles variables. Voir par exemple, les observations de Céphéides et de RR Lyrae dans le Grand Nuage de Magellan.

Les étoiles observées par Gaia

Après un mois de balayage des pôles écliptiques, Gaia a démarré ses observations de routine le 21 août 2014, avec une loi de balayage qui assure la meilleure couverture possible du ciel. La figure ci-contre (image préparée par Edmund Serpell, du Centre d’Opérations de l’ESA à Darmstadt, ©ESA/Gaia-CC BY-SA 3.0 IGO) montre les étoiles observées par Gaia pendant cette première année. On y voit clairement le plan de notre Galaxie, la Voie Lactée, et ses deux voisines, les deux Nuages de Magellan, galaxies irrégulières qui sont en orbite autour de notre Galaxie. Cette image a été construite à partir des données d’opération du satellite : elle montre le nombre total d’étoiles détectées chaque seconde dans chacun des deux champs de vision du télescope de Gaia.

Parallaxe trigonométrique

En un an, chaque étoile a été observée environ 14 fois. Ceci n’est pas suffisant pour séparer les déplacements sur le ciel dus à la parallaxe trigonométrique (qui donne la distance de l’étoile) de ceux qui viennent de son mouvement propre (mouvement de l’étoile par rapport au Soleil).

Le principe de la parallaxe trigonométrique est illustré sur la figure ci-contre : lorsque la Terre tourne autour du Soleil, en une année, l’angle de vue sous lequel on voit se projeter une étoile proche sur un fond d’étoiles lointaines varie au fur et à mesure que la Terre se déplace. On a l’impression que l’étoile proche parcourt une ellipse semblable à celle que parcourt la Terre autour du Soleil, mais beaucoup plus petite. L’angle appelé parallaxe trigonométrique est indiqué en vert sur la figure. Plus l’étoile est proche, plus cet angle est grand. Plus l’étoile est lointaine, plus cet angle est petit. Avec la précision de mesure extrême de Gaia, il est possible de mesurer cet angle pour des étoiles très lointaines, jusqu’aux confins de notre Galaxie, et même jusqu’aux Nuages de Magellan.

En attendant que Gaia ait pu accumuler un plus grand nombre de mesures, les astronomes ont combiné les positions observées par Gaia avec celles qui ont été obtenues entre 1989 et 1993 par l’expérience Tycho à bord d’Hipparcos, le prédécesseur de la mission Gaia, pour deux millions d’étoiles. "Seulement" deux millions d’étoiles parmi les plus brillantes du milliard d’objets observés par Gaia, mais ce "petit" échantillon permet d’avoir un premier aperçu de la qualité des données.

Premier diagramme H-R de Gaia

La première application a été de construire un diagramme de Hertzsprung-Russell pour ces étoiles. Ce diagramme montre la distribution des étoiles en fonction de leur luminosité propre (magnitude absolue) et de leur température (estimée ici d’après leur couleur). Les étoiles ne sont pas n’importe où dans ce diagramme, mais regroupées dans quelques régions : la séquence principale, où sont rassemblées la majorité des étoiles, et où elles passent la plus grande partie de leur vie ; la branche des géantes où se retrouvent les étoiles après quelques milliards d’années ; la branche des naines blanches où les étoiles finissent leur vie. Notre Soleil est encore sur la séquence principale.

La figure ci-contre (© ESA/Gaia/DPAC/IDT/FL/DPCE/AGIS) est le résultat de luminosités déterminées à partir des données de la première année d’observations Gaia combinées avec les données du Catalogue Tycho-2, et de couleurs obtenues à partir d’observations au sol dans l’infrarouge proche (relevé 2MASS) pour environ un quart des étoiles du Catalogue Tycho-2. L’accumulation de données avec Gaia permettra d’avoir un diagramme avec beaucoup plus d’étoiles (un milliard contre environ 500 000 ici), observées sur une beaucoup plus longue durée (5 ou 6 années contre 10 mois ici), sur tout le diagramme H-R (alors qu’ici, la sélection est celle des étoiles observées avec Tycho, donc essentiellement des étoiles de la séquence principale et de la branche des géantes), et des séquences beaucoup mieux définies grâce à la précision attendue de Gaia tant pour les parallaxes trigonométriques (donc les luminosités) que pour les couleurs (donc les températures) et l’extinction interstellaire.

Au cours de ses observations répétées du ciel, Gaia a aussi pu détecter quelques centaines d’objets dont la luminosité a subitement augmenté ou diminué. La plus spectaculaire a été la première supernova découverte par Gaia le 30 août 2014. Ces détections sont régulièrement partagées avec la communauté sous forme d’alertes scientifiques. Une liste de ces alertes, mise à jour régulièrement, ainsi que les procédures à suivre en cas d’utilisation est disponible sur la page Photometric Science Alerts (en anglais).

Gaia observe aussi de nombreux astéroïdes : 50 000 en 8 mois ont été identifiés à partir de 418 000 observations associées à des astéroïdes. Plus de détails (en anglais).

Voir aussi les différents articles regroupés sous les rubriques :

ainsi que Observations et précisions et Etalonnage.

Référence : Gaia’s first year of scientific observations (en anglais).