Gaia (satellite)
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Vue d'artiste de Gaia
Vue d'artiste de Gaia

Le satellite Gaia est une mission astrométrique de l'Agence spatiale européenne (ESA) devant observer plus d'un milliard d'objets jusqu'à la magnitude 20. En déterminant de manière extrêmement précise les positions, distances et mouvements ainsi que les magnitudes dans de nombreuses bandes spectrales, Gaia espère clarifier la composition, la formation et l'évolution de notre Galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs...), la Voie lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est...), mais également apporter des contributions significatives concernant les planètes extrasolaires, le système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système planétaire) : les...), les galaxies extérieures et la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.).

Satellite (Satellite peut faire référence à :)

Gaia doit être lancé par un lanceur ( Lanceur, terme de l'astronautique Lanceur, terme du baseball ) Soyouz (Soyouz (du russe Союз, Union) désigne une famille de vaisseaux spatiaux habités soviétiques , puis russes après l'éclatement de l'URSS, conçue au début...) et rejoindre le point de Lagrange (Un point de Lagrange (noté Li), ou point de libration, est une position de l'espace où les champs de gravité de deux corps en orbite l'un autour de...) L2 situé à environ 1,5 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un (1 000 001)....) de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 seconde.) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) dont un des avantages est de procurer un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...) extrêmement stable. Là, il décrira une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la...) de type Lissajous pour éviter les éclipses du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la...) par la Terre, afin de pouvoir alimenter ses panneaux solaires.

Principes de mesure

Loi de balayage de Gaia
Loi de balayage de Gaia

Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) comme son prédécesseur Hipparcos (Le satellite Hipparcos (HIgh Precision PARallax COllecting Satellite, satellite de mesure de parallaxe à haute précision) fut un projet de l'agence spatiale européenne...), pionnier de l'astrométrie (L'astrométrie est la partie de l'astronomie qui s'occupe de la position des étoiles et des autres objets célestes, leur distances et leur mouvements.) spatiale, Gaia observera simultanément deux directions de visée en tournant continûment avec une légère précession (La précession est le nom donné au changement graduel d'orientation de l'axe de rotation d'un objet ou, de façon plus générale, d'un vecteur sous l'action de l'environnement, par exemple, dans le cas de l'axe de...), et tout en conservant le même angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) au Soleil. En mesurant précisément les positions relatives des objets des deux directions de visée séparées par un grand angle, une grande rigidité du système de référence est obtenue.

Chaque objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) sera observé en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres...) 70 fois environ pendant la mission, qui doit durer 5 ans. Ces mesures permettront la détermination des paramètres astrométriques des étoiles : 2 pour la position angulaire sur le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.), 2 pour leur dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus précisément, une dérivée est une expression (numérique ou algébrique)...) par rapport au temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) (mouvement propre), ainsi que la parallaxe (La parallaxe est l'incidence du changement de position de l'observateur sur l'observation d'un objet.) annuelle.

Il manque néanmoins un sixième paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) pour tout connaître de la position et de la vitesse (On distingue :) des objets dans l'espace. Ce paramètre, la vitesse radiale, est obtenu par effet Doppler-Fizeau (L'effet Doppler-Fizeau est le décalage entre la fréquence de l'onde émise et de l'onde reçue lorsque l'émetteur et le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre ; il apparaît aussi lorsque l'onde se réfléchit sur...) grâce à un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie...) également à bord de Gaia.

Caractéristiques

La charge utile (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou...) de Gaia consiste en :

  • un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être...) de 1,4 × 0,5 m² pour chaque direction de visée
  • un plan focal de 1,0 x 0,5 m sur lequel sont projetées les deux directions de visée, constitué de 106 CCDs de 4500×1966 pixels dont certains sont équipés de filtres.

Elle implémente 3 instruments distincts :

  • L'instrument astrométrique (ASTRO) dédié à la mesure de la position angulaire des étoiles de magnitude 5.7 à 20
  • L'instrument photométrique, permettant l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) de spectres d'étoiles dans la bande spectrale (En astronomie, une bande spectrale désigne une partie du spectre électromagnétique que laisse passer un filtre standard. Une bande spectrale est ainsi déterminée par son profil de...) 320-1000 nm dans la même gamme de magnitude
  • Le spectromètre haute résolution permettant de mesurer la vitesse radiale des étoiles par l'acquisition de spectres de haute résolution dans la bande spectrale 847-874 nm (domaine des raies du calcium ionisé) pour des objets jusqu'à la magnitude 17

Le lien télémétrique avec le satellite (Satellite peut faire référence à :) étant d'environ 1 Mbit/s en moyenne, alors que le contenu du plan focal représente plusieurs Gbit/s, oblige à ne descendre que quelques dizaines de pixels autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) de chaque objet. En conséquence, la détection et le suivi des objets à bord sont obligatoires, et représentent un traitement complexe à bord du satellite dans les champs stellaires les plus denses.

Mission

La mission a été adoptée par l'ESA comme mission Pierre Angulaire numéro 6 le 13 octobre 2000, et le démarrage de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) B2 du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande diversité...) sous la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond...) d'œuvre d'EADS Astrium (EADS Astrium est une filiale du groupe EADS (European Aeronautic Defence and Space company) présente en France, Allemagne, Grande-Bretagne, aux Pays-Bas et en Espagne et spécialisée dans les systèmes spatiaux civils et militaires.) Satellites a été autorisé le 9 février 2006, en visant un lancement pour décembre 2011. Le coût total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes"....) de la mission est d'environ 450 millions d'euros, comprenant la fabrication, le lancement et les opérations au sol.

La multiplicité des instruments (astrométrie, photométrie, spectroscopie) fait de Gaia l'analogue d'un observatoire complet en orbite et implique une importante diversité de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). La quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre...) ne sera pas en reste : 5 ans de mission avec un débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) de données compressées de 1 Mbit/s correspond à environ 60 TB.

Le traitement scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) au sol de ces données, à la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice...) des États membres, se révèlera d'ailleurs extrêmement complexe, compte tenu de la diversité du ciel (étoiles variables, étoiles doubles, etc.) : consacrer ne serait-ce que 1 s de temps de traitement par objet nécessiterait 30 ans de calcul en tout.

Objectifs scientifiques

La justification de la mission spatiale Gaia vient de plusieurs constats :

  • la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) intrinsèque précise des étoiles nécessite de connaître (directement ou indirectement) leur distance. Une des seules manières de l'obtenir sans hypothèses physiques est par l'intermédiaire de la parallaxe annuelle. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) à partir du sol ne permettrait pas d'obtenir ces parallaxes avec suffisamment de précision, à cause des effets de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) et des erreurs systématiques instrumentales.
  • il faut observer les objets les plus faibles pour avoir une vision complète de la fonction de luminosité stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90...), et d'autre part il faut observer tous les objets jusqu'à une certaine magnitude de manière à avoir des échantillons non biaisés.
  • pour connaître les phases d'évolution stellaire les plus rapides, et contraindre ainsi les modèles d'évolution, il faut observer suffisamment d'objets. Un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) important d'objets est également nécessaire pour connaître notre Galaxie : un milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf millions neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999 999) et...) d'étoiles représente approximativement 1% de son contenu.
  • une très bonne précision astrométrique et cinématique (En physique, la cinématique est la discipline de la mécanique qui étudie le mouvement des corps, en faisant abstraction des causes du mouvement (celles-ci sont généralement...) est nécessaire pour correctement connaître les différentes populations stellaires, en particulier les plus lointaines, pour reconstituer les orbites stellaires, etc.

Le design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs d'une production...) de Gaia s'en déduit, les contraintes techniques ne permettant pas par ailleurs d'observer plus d'objets, des objets plus faibles, ou avec de meilleures précisions. Les performances prédites sont les suivantes :

  • tous les objets (plus d'un milliard) jusqu'à la magnitude V=20
  • une précision de 7 millionièmes de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc...) d'arc (μas) à la magnitude V=10 (précision équivalente à la mesure du diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour indiquer qu'une...) d'un cheveu à 1000 km), entre 12 et 25 μas à V=15, entre 100 et 300 μas à V=20, ceci dépendant de la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) de l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de...)
  • soit environ 20 millions d'étoiles avec une précision en distance meilleure que 1% et 40 millions avec une précision en vitesse tangentielle meilleure que 0,5 km/s

Sur la base de modèles et des performances nominales, Gaia devrait contribuer significativement dans les thématiques suivantes:

Performances scientifiques prédites pour Gaia
Performances scientifiques prédites pour Gaia

Physique galactique (La physique galactique est la science de l'étude de la composition, de la formation et de la dynamique des galaxies et autres amas stellaires.)

  • Structure spatiale et cinématique de toutes les populations d'étoiles, dans toutes les parties de notre voie lactée: disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en...) mince, disque épais, bras spiraux, bulbe (Un bulbe est une pousse souterraine verticale disposant de feuilles modifiées utilisées comme organe de stockage de nourriture par une plante à dormance.) et barre, halo, amas globulaires, zones de formation d'étoiles, amas ouverts.
  • Détermination de l'âge et de la métallicité des étoiles de différentes populations, âge des plus vieux objets.
  • En conséquence, Gaia permettra d'étudier la formation et l'évolution de notre Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.).
  • Détection astrométrique de 10? planètes extrasolaires de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) similaire à Jupiter jusqu'à environ 200 pc, plusieurs milliers d'orbites. Détections de plusieurs milliers de transits de planètes extrasolaires devant leur étoile hôte.

Physique stellaire (La physique stellaire est la branche de l'astrophysique qui étudie les étoiles. Elle fait intervenir des connaissances issues de la physique nucléaire, physique...)

  • Statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données...) de tous les types d'étoiles, y compris dans les phases d'évolution rapide du diagramme de Hertzsprung-Russell (En astronomie, le diagramme de Hertzsprung-Russell montre la relation entre la magnitude absolue et le type spectral d'étoiles. Il a été inventé autour de 1910 par Ejnar...).
  • Détermination des paramètres fondamentaux (masse, rayon, luminosité, température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) et composition chimique).
  • Détection systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes...) (quoique non exhaustive) de la binarité et de la variabilité.
  • Contraintes pour les modèles de structure et d'évolution stellaire.

Système solaire

  • Observations de 106 objets.
  • Détermination de masses, orbites améliorées par un facteur 30.
  • Classification taxonomique (reliée à la composition minéralogique de surface) à partir de la photométrie.

Galaxies et système de référence

  • Détermination des distances directes dans les nuages de Magellan pour les étoiles les plus brillantes.
  • Distance des Céphéides et des RR Lyrae permettant de recalibrer l'échelle des distances dans l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.).
  • Dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) et parallaxe de rotation des galaxies du Groupe Local (Le Groupe local est l'ensemble d'une trentaine de galaxies auquel appartient notre Galaxie. Son diamètre est d'environ 3 millions de parsecs.).
  • Photométrie de plus d'un million de galaxies.
  • Détection de plus de 10? supernovae.
  • Réalisation d'un système de référence à partir de 5×10? quasars.

Physique fondamentale

À cause de la présence de la masse du soleil (et des autres planètes du système solaire), on s'attend à une déflexion des rayons lumineux de chaque étoile.

Dans un formalisme post-newtonien, cette déflexion est proportionnelle à (1+γ)/2 où le paramètre γ vaut 1 dans le cadre de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie...): Gaia devrait obtenir une précision de l'ordre de 5×10-7, fournissant ainsi un test supplémentaire de la relativité générale. D'autres contributions seront possibles avec les objets du système solaire (par exemple, avance du périhélie).

Enfin, grâce aux observations de la luminosité des naines blanches, Gaia devrait fournir une contrainte quant à une variation (hypothétique) de la constante gravitationnelle.

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