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Gaia DR2 : 7,2 millions de vitesses radiales

07/05/2019. Le deuxième catalogue Gaia, Gaia DR2, contient des données astrométriques (positions, mouvements propres et parallaxes trigonométriques) très précises pour plus de 1,3 milliard d’étoiles, mais aussi, pour la première fois, des données du spectrographe de Gaia, le Radial Velocity Spectrometer (RVS). Quand Gaia balaye le ciel de ses deux télescopes, les sources sont d’abord observées par les instruments astrométriques et photométriques (voir le plan focal) et leurs magnitudes RVS sont alors estimées. Si elles sont assez brillantes (GRVS < 16.2) et si la densité en étoiles sur le ciel est inférieure à 35 000 sources par degré2 (nombre maximum d’étoiles observables simultanément), alors un spectre est enregistré par chacun des trois CCDs de la ligne traversée par l’étoile. Ceci est illustré sur la Figure 1.

Figure 1, à gauche : Plan focal du RVS avec le mouvement de deux étoiles et les spectres obtenus dans chacune des trois fenêtres d’observation.
Figure 1, à droite : Exemple de spectre à deux dimensions obtenu pour les étoiles plus brillantes que GRVS = 7 (en haut). Pour les étoiles plus faibles, les pixels sont sommés pour obtenir un spectre à une dimension (en bas).
© P. Sartoretti et al., A&A 616, A6, 2018, Fig. 1.

La partie spectroscopique de Gaia DR2 repose sur l’analyse des données des 22 premiers mois de mission pour les étoiles plus brillantes que GRVS = 12 environ : 280 millions des spectres ont été traités, soit environ 5% du nombre total de spectres observés. Des vitesses radiales (vitesses le long de la ligne de visée : i.e. vitesses d’éloignement ou de rapprochement) ont été déterminées pour 9.8 millions d’étoiles : ce sont les valeurs médianes des vitesses radiales individuelles observées à chaque transit d’une étoile sur l’un des CCDs du RVS. La Figure 2 montre la distribution du nombre de transits par étoile utilisés pour DR2 ainsi que leur distribution sur le ciel (un transit = le passage d’une étoile sur l’ensemble des trois CCDs d’une ligne. appelé aussi observation par la suite). Pour 1.6 million de sources, seul un transit était valable et leur vitesse radiale n’a pas été calculée.

Figure 2, à gauche : Nombre d’étoiles (Occurrence) en fonction du nombre de transits par étoile utilisés pour Gaia DR2. La distribution s’étend jusqu’à 201 transits. Les 1053 étoiles avec plus de 50 transits (0.015% du total) ne sont pas montrées ici.
Figure 2, à droite : Distribution sur le ciel du nombre médian de transits en coordonnées galactiques. Le Centre Galactique est au milieu de la figure. Cette distribution reflète la loi de balayage du ciel de Gaia.
© D. Katz et al., A&A 622, A205, 2019, Fig. 9.

Finalement, un certain nombre de filtres ont été appliqués pour ne garder que les étoiles dont les vitesses radiales avaient une qualité suffisante pour être publiées. Les étoiles plus froides que 3550 K (dont les spectres sont dominés par des bandes moléculaires) et les étoiles plus chaudes que 6900 K (dont les spectres sont très sensibles à la gravité de surface et à la vitesse de rotation des étoiles) ont été éliminées. Sont ainsi publiées dans Gaia DR2 les vitesses radiales d’étoiles dont les types spectraux sont essentiellement F, G et K. Dans cet intervalle de température, les spectres sont dominés par les trois raies très profondes du calcium ionisé. Un exemple de spectre est montré sur la Figure 3. Par ailleurs, les étoiles à très grande vitesse (± 1000 km/s) n’ont pas été considérées pour Gaia DR2.

Figure 3 : Spectre RVS de HIP 58558, étoile de magnitude V=8.23 et de température Teff=5477 K, correspondant à un type spectral G8-KO. © D. Katz et al., A&A 622, A205, 2019, Fig. 1.

Gaia DR2 contient des vitesses radiales pour plus de 7,2 millions d’étoiles, soit déjà plus que tous les surveys de vitesses radiales obtenues au sol. Elles représentent 77,2% des étoiles de DR2 plus brillantes que G=12.5 (pour la majorité des étoiles, les magnitudes G sont plus faibles que les magnitudes GRVS). La Figure 4 montre la distribution de ces 7,2 millions d’étoiles sur l’ensemble du ciel.

Figure 4 : Distribution sur le ciel des 7,2 millions d’étoiles avec vitesse radiale dans Gaia DR2 (coordonnées galactiques avec le Centre Galactique au milieu de la figure). L’échelle de couleur donne la densité en étoiles par pixel d’environ 0.2 degré2. © D. Katz et al., A&A 622, A205, 2019, Fig. 4.

La précision médiane de l’ensemble de ces vitesses radiales est de 1,05 km/s. Elle varie, bien sûr, avec le nombre d’observations utilisées pour chaque étoile (transits), mais aussi avec la magnitude des étoiles observées et avec leur température. Pour les étoiles les plus brillantes, de magnitude RVS comprise entre 4 et 8, la précision est de l’ordre de 220 à 350 m/s, soit trois à cinq fois mieux que la spécification établie avant le lancement (1 km/s). Pour les étoiles les plus faibles, à GRVS=11.75 mag, la précision varie de 1.4 km/s pour les étoiles froides (températures Teff de 5000 K) à 3,7 km/s pour les plus chaudes (Teff=6500 K). Les Figures 5 et 6 montrent ces variations de la précision des vitesses radiales en fonction de la magnitude et du nombre d’observations. On remarquera à quel point la distribution des précisions sur le ciel (Figure 6) reflète celle de nombre médian de transits (Figure 2, à droite).

A gauche, Figure 5 : Précision des vitesses radiales de la DR2 en fonction de la magnitude GRVS et du nombre de transits par étoile (échelle de couleur à gauche de la figure). © D. Katz et al., A&A 622, A205, 2019, Fig. 18.
A droite, Figure 6 : Distribution sur le ciel de la précision des vitesses radiales de DR2, en coordonnées galactiques. Le Centre Galactique est au milieu de la figure. Cette carte du ciel reflète la distribution du nombre d’observations par étoile montrée en Figure 2, à droite. L’échelle de couleur donne la densité en étoiles par pixel d’environ 0.2 degré2. © D. Katz et al., A&A 622, A205, 2019, Fig. 23.

Pour les prochains catalogues Gaia, beaucoup plus de données spectroscopiques seront analysées et la chaîne de traitement sera améliorée, conduisant à la publication de vitesses radiales jusqu’à des magnitudes de plus en plus en plus faibles (GRVS=14 mag pour Gaia DR3, GRVS=16,2 mag pour Gaia DR4) ainsi qu’à la détermination de nouveaux paramètres (information sur la variabilité des vitesses radiales, vitesses de rotation) et à la publication de spectres calibrés.

Références :