Gaia FPR : les objets du Système Solaire

Bien que Gaia ait été conçue pour cartographier des étoiles dans la Voie lactée et au-delà, elle contribue de façon majeure à la caractérisation des objets du système solaire (SSO = Solar System Objects). Grâce à ses mesures systématiques et à la qualité de ses observations astrométriques, des positions cent fois plus précises que précédemment ont été obtenues par Gaia pour les astéroïdes et les lunes de planètes.

Figure 1 : Vue d’ensemble des astéroïdes de Gaia FPR. L’orbite bleue intérieure (moins visible) représente l’orbite de la Terre, l’orbite bleue extérieure représente l’orbite de Jupiter. Les troyens, astéroïdes regroupés un peu en avant et un peu en arrière de Jupiter, sont clairement visibles. La ceinture principale est la région fortement peuplée d’astéroïdes entre Mars et Jupiter. Les objets transneptuniens de Gaia ne sont pas représentés sur ce graphique. 99% des objets mobiles (dont la position varie d’une observation à l’autre) détectés sont des astéroïdes connus. Le 1% restant pourrait être des découvertes. © ESA/Gaia/DPAC - CC BY-SA 3.0 IGO. Remerciements : Capture d’écran de la vidéo créée par Stefan Jordan, Toni Sagristà, Paolo Tanga avec Gaia Sky.

Les observations de Gaia permettent d’améliorer de façon spectaculaire la détermination des orbites des astéroïdes et d’y détecter des anomalies subtiles liées à leur forme ou à l’effet Yarkovsky (petite accélération due aux émissions dans l’infrarouge thermique), ou de détecter des satellites d’astéroïdes. La progression des mesures disponibles d’une publication Gaia à l’autre est spectaculaire : dans Gaia DR2 (2018), reposant sur l’analyse des 22 premiers mois d’observation, les positions et la photométrie à chaque époque d’observation ont été publiées pour environ 14 000 objets du Système Solaire. Avec Gaia DR3, en 2022, couvrant 34 mois de données, on est passé à 157 000 objets, astéroïdes de différentes classes (voir Figure 2) et lunes de planètes, avec deux nouveaux paramètres : les orbites et et les données spectrales.

Figure 2 : Distribution des différentes populations d’astéroïdes de Gaia DR3 en fonction du demi-grand axe de leurs orbites (image publiée en 2022 pour Gaia DR3, mais encore valide pour Gaia FPR. © Tanga, et al. 2022 - CC BY-SA 3.0 IGO.

Une nouvelle avancée majeure est franchie avec Gaia FPR, reposant sur l’analyse de 66 mois de données pour 156 000 de ces objets. Cette période de mesure plus longue permet de suivre presque tous les astéroïdes sur une orbite complète et non plus sur de petits segments de celles-ci. Résultat : des orbites 20 à 30 fois plus précises. La Figure 3 montre cette amélioration pour le demi-grand axe des orbites.

Figure 3 : En rouge : Incertitude sur le demi-grand axe des orbites en fonction de la longueur d’arc observée dans les données Gaia DR3, basées sur 34 mois d’observation.
En bleu : Les données de Gaia FPR sont basées sur 66 mois d’observation, ce qui améliore nettement les longueurs des arcs observés : pour presque tous les objets, une orbite complète a été mesurée et les incertitudes sur la détermination des demi-grands axes sont nettement plus faibles. © Gaia Focused Product Release : Asteroid orbital solution by Gaia Collaboration, P. David, et al. 2023

La Figure 4 montre deux exemples d’orbites d’astéroïdes de la ceinture principale (orbitant entre Mars et Jupiter) : 8 Flora, dans la partie intérieure de la ceinture principale avec une période ∼3.3 ans, et 570 Kythera, dans la partie extérieure avec une période de ∼6.3 ans. La Figure 5 compare un astéroïdes troyen, 884 Priamus de période ∼12 ans, à un objet moyen de la ceinture principale, 3 Juno de période ∼4.4 ans. Dans tous les cas, l’amélioration de la couverture des orbites entre Gaia DR3 (34 mois de données) et Gaia FPR (66 mois de données) est bien visible. Les figures de droite montrent les points des orbites observés jusqu’à octobre 2023 (110 mois de données).

Figure 4, (en haut) : Observations de deux astéroïdes de la ceinture principale, 570 Kythera (période ∼6.3 ans) et 8 Flora (période ∼3.3 ans), l’un à l’extérieur de la ceinture, l’autre à l’intérieur.
Figure 5, (en bas) : Comparaison entre un astéroïde troyen, 884 Priamus (période ∼12 ans), et un astéroïde moyen de la ceinture principale, 3 Juno (période ∼4.4 ans).
Ces deux figures illustrent l’amélioration de la couverture des orbites entre deux publications successives de données Gaia : Gaia DR3 avec les 34 premiers mois de données, et Gaia FPR, avec 66 mois, même pour un objet avec une longue période. De plus, les figures de droite montrent les observations déjà obtenues jusqu’en octobre 2023. © ESA/Gaia/DPAC, François Mignard.

Ces meilleures orbites, combinées aux déterminations des positions et mouvements des étoiles de plus en plus précises au fur et à mesure que les observations s’accumulent ont un impact majeur sur les prédictions d’occultations stellaires (lorsqu’un astéroïde passe devant une étoile et obscurcit temporairement la lumière de celle-ci). L’observation précise de ces occultations à partir de différents endroits du globe permet de déterminer avec précision la forme des astéroïdes, de leurs anneaux et de leurs satellites.

L’infographie montrée sur la Figure 6 illustre ces progressions et ce qui est attendu du prochain catalogue, Gaia DR4 (pas avant fin 2025) : encore deux fois plus d’astéroïdes, dont éventuellement quelques nouvelles découvertes, avec une plus grande variété de données. En plus des mesures, à chaque époque d’observation, de positions et de magnitudes, des spectres BP et RP à basse résolution et des orbites, les paramètres de spin et de forme, ainsi que les masses précises des plus grands astéroïdes, seront publiés. Et, pour Gaia DR5, prévu au plus tôt fin 2030, 125 mois de données seront analysés, avec des précisions encore améliorées.

Figure 6 : Infographie illustrant la progression des informations sur les objets du système solaire d’une publication Gaia à la suivante. Non seulement le nombre d’astéroïdes augmente significativement, mais aussi le nombre de paramètres publiés et la précision de ces paramètres : la précision sur la détermination des orbites dans Gaia FPR est 20 à 30 fois supérieure à celle de Gaia DR3. Dans Gaia DR4, de nouvelles informations sont attendues : sur le spin, la masse et la forme des objets observés, pour deux fois plus d’objets. © ESA/Gaia/DPAC - CC BY-SA 3.0 IGO. Illustration crée par Mariasole Agazzi, Paolo Tanga, Tineke Roegiers, Daniel Hestroffer, Jos de Bruijne.