Gaia : le ciel en profondeur - La charge utile
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La charge utile

Deux télescopes La charge utile de Gaia est composée de deux télescopes et de trois instruments montés sur un banc optique quasi-octogonal en carbure de silicium (SiC), d’une extrême stabilité et extrêmement léger, partageant un même plan focal. Les deux télescopes recueillent la lumière de deux champs du ciel séparés par un angle de base ultra-stable de 106.5°. Chacun des champs représente 1,7 x 0,6° sur le ciel. La lumière émise par un objet présent dans l’un des champs (étoile ou petit corps du système solaire) est reçue par l’un des deux miroirs primaires, M1 ou M’1, puis réfléchie par une série d’autres miroirs, M2 à M4 et M’2 à M’4. Les deux chemins optiques se rencontrent sur le combineur de faisceaux M4/M’4 avant de poursuivre leur trajet en commun sur les miroirs M5 et M6 et d’atteindre le plan focal commun aux deux télescopes. La longueur focale totalise 35m. La Figure 1 montre le tore, certains miroirs et le plan focal. La Figure 2 est un schéma montrant les différents miroirs et le trajet de la lumière jusqu’au plan focal trajet de la lumière provenant du champ 1 est tracée en rouge. La Figure 3 montre l’un des deux miroirs primaires à la fin de sa phase de polissage.

Figure 1 (à gauche) : Le tore en carbure de silicium, de 3 mètre de diamètre, est composé de 17 segments emboités, de formes différentes. Il soutient les deux télescopes et leurs nombreux miroirs, ainsi que les instruments et le plan focal. Il a été fabriqué par l’entreprise BOOSTEC (Tarbes, Hautes-Pyrénées), sous contrat du Maître d’Œuvre de Gaia, EADS Astrium (maintenant Airbus Defence and Space). © ESA/Gaia
Figure 2 (à droite) : Schéma du trajet des faisceaux de lumière depuis le ciel jusqu’au plan focal, montrant les différents miroirs et le plan focal. Adapté d’une figure © EADS Astrium.

 

Figure 3 : L’un des deux miroirs primaires de Gaia, à la fin de sa phase de polissage. Chacun de ces miroirs, construit en carbure de silicium, mesure 1,49x0.54m et ne pèse que environ 40kg, tout en étant extrêmement rigide. Ils sont polis avec une précision de quelques nanomètres. © Sagem, France.

 

Trois instruments Gaia possède trois instruments, astrométrique, photométrique et spectroscopique, partageant le même plan focal (Figure 4) et mesurant successivement les différentes caractéristiques des objets observés dans chacun des champs. Le plan focal est constitué d’une très grande mosaïque de CCDs assez similaires à ceux que l’on trouve dans les appareils photos numériques, en plus sophistiqué. Mais Gaia, avec ses 106 CCDs contient près d’un milliard de pixels (gigapixel), soit bien plus que les quelques millions que l’on trouve couramment sur un appareil numérique.

L’instrument astrométrique
Le concept d’astrométrie globale, démontré avec succès par Hipparcos, est aussi utilisé pour Gaia : l’instrument astrométrique mesure les séparations relatives entre les milliers d’étoiles présentes simultanément dans les deux champs de vue combinés. La partie astrométrique du plan focal (en vert sur la Figure 4, en bleu clair sur la Figure 5) est constituée d’une mosaïque de 62 CCDs lus dans un mode d’intégration synchronisé avec le mouvement de balayage du satellite : le vaisseau balaye continument le ciel en mesurant les positions relatives des milliers d’objets présents dans les deux champs. La haute résolution angulaire, et donc la grande précision sur la position des objets dans la direction de balayage (ligne horizontale sur la Figure 4), est obtenue grâce à la grande taille des miroirs primaires (1,45m le long du balayage x 0,5m perpendiculairement à celui-ci) et à l’extrême rigidité des télescopes. Les mesures de grands angles garantissent alors la grande qualité du système de référence ainsi obtenu.

L’instrument spectro-photométrique
L’instrument spectro-photométrique de Gaia est composé de deux prismes à basse résolution en silice fondue, les spectro-photomètres bleu et rouge, BP et RP, situés entre le miroir M6 et le plan focal. Ils reçoivent ainsi la lumière provenant des deux champs de vision et produisent, dans la zone du plan focal qui leur est dédiée (parties mauve et rouge du plan focal sur la Figure 4), des petits spectres à basse résolution, allongés dans le sens du balayage, dans le domaine de longueur d’onde de 330 à 680 nm avec une dispersion spectrale allant de 3 à 27 nm/pixel pour BP, et de 640 à 1050 nm avec une dispersion spectrale variant de 7 à 15 nm/pixel pour RP. La sélection des sources à observer est effectuée en utilisant, comme pour le champ astrométrique, les informations fournies par les repéreurs d’objets célestes (sky mapper). Ces petits spectres permettent de corriger les aberrations de chromaticité des mesures astrométriques, de distinguer entre les différents types d’objets observés et d’estimer certains des paramètres physiques caractérisant les atmosphères des étoiles.

L’instrument spectroscopique
L’instrument spectroscopique de Gaia, appelé en anglais le Radial Velocity Spectrometer (RVS), lui aussi situé entre le miroir M6 et le plan focal, est composé d’un réseau entouré de quatre lentilles prismatiques en silice fondue. C’est un spectrographe intégral de champ : la lumière de toutes les sources des deux champs observés simultanément est dispersée. Le résultat sur la partie du plan focal dédiée au RVS (partie verte du plan focal sur la Figure 4) est un ensemble de petits spectres produits par chacune des sources, dans l’intervalle de longueur d’onde 845 - 872 nm, avec une résolution spectrale de 11500. Les observations spectroscopiques fournissent des informations complémentaires cruciales à celles du champ astrométrique : la troisième composante de la vitesse des étoiles (le long de la ligne de visée) et des informations sur la physique des étoiles. En fin de mission, il aura mesuré les vitesses radiales de toutes les étoiles plus brillantes que la magnitude 16 environ (plus ou moins selon la couleur des étoiles), soit environ 150 millions d’étoiles, et permettra d’obtenir des données astrophysiques (paramètres atmosphériques, rougissement interstellaire, vitesses de rotation et abondances de divers éléments chimiques pour les plus brillante d’entre elles).

 

Figure 4 (à gauche) : Schéma des trois instruments de Gaia et du trajet des faisceaux lumineux à partir du combineur de faisceaux M4/M’4 et jusqu’au plan focal. Sur ce schéma, les étoiles traversent le plan focal de la droite du plan focal (vu de l’intérieur) vers la gauche. © EADS Astrium.
Figure 5 (à droite) : Le plan focal de Gaia, avec ses 106 CCDs et ses 938 millions de pixels, dédiés successivement, de gauche à droite, au repérage et à la sélection des étoiles à observer (en bleu foncé), au champ astrométrique (en bleu clair) , aux deux champs spectro-photométriques (en mauve et rouge) , et au champ spectroscopique (en vert) . Remarque : contrairement à la Figure 4, les étoiles traversent ici le champ de gauche à droite. Adapté d’une Figure © EADS Astrium et W. O’Mullane.

Références (en français) :

Références (en anglais) :