Sous-titres Vodcast – Cartographier la Galaxie : d’Hipparcos à Gaia

Séquence 1 – Caméra

Bonjour, je suis Rebecca Barnes.
Bienvenue sur le vodcast de Science@ESA.

Cet épisode traitera des déplacements des étoiles,

de la mesure de leur éloignement par les astronomes

et de la nouvelle mission européenne qui va déterminer notre place dans l’univers.

Séquence 2 – Caméra

Pendant des milliers d’années, l’humanité s’est basée sur la position des étoiles

pour mettre au point des calendriers, connaître l’heure, naviguer sur les mers et les océans…

L’astrométrie – qui détermine les positions et les mouvements des objets célestes –
est une des plus vieilles disciplines de l’astronomie.

Les étoiles, dans le ciel nocturne, semblent immobiles et à une distance fixe par rapport à nous.

C’est le concept de « sphère céleste », qui regroupe les étoiles en constellations
depuis l’Antiquité.

Il est difficile de percevoir l’immense profondeur du ciel quand on regarde les étoiles
car nous n’avons pas une vision en trois dimensions.

Séquence 3 – Voix off

Depuis la Terre, chacune des étoiles que l’on peut voir
à l’œil nu appartient à notre galaxie, la Voie lactée.

Cette galaxie spirale contient des centaines de milliards d’étoiles.

Si nous pouvions la regarder de l’extérieur,
nous verrions que notre soleil se trouve à environ deux tiers de son rayon en partant du centre.

Mesurer la position des étoiles dans la Galaxie et calculer leur distance depuis la Terre
est compliqué parce que tous les objets célestes sont en perpétuel mouvement.

La Terre tourne sur elle-même selon un axe oscillant lentement
tout en tournant autour du Soleil.

Le Soleil lui-même oscille doucement autour du centre du système solaire
sous l’impulsion des forces gravitationnelles des planètes.

Le Soleil ainsi que toutes les étoiles de la Voie lactée se déplacent
autour du centre de la Galaxie sur différentes orbites, et donc à différentes vitesses.

Aussi incroyable que cela puisse paraître, le Soleil met plus de
200 millions d’années à faire un seul tour de la Galaxie.

Séquence 4 – Caméra

Pour connaître la position d’une étoile et son mouvement,
les astronomes ont besoin de connaître son ascension droite et sa déclinaison

en d’autres termes : sa longitude et sa latitude sur la voûte céleste.

Trois paramètres supplémentaires doivent être connus :

le premier est la distance. Les deux autres sont liés
au mouvement des étoiles sur la voûte céleste.

Séquence 5 – Voix off

Voici les trois étoiles couramment appelées la “ceinture d’Orion”

Elles décrivent une orbite autour du centre de la Galaxie

Lentement, au fil du temps, leurs positions sur la voûte céleste changent.

Ce mouvement est nommé « mouvement propre ».
Il est la conséquence des trajectoires des étoiles dans l’espace par rapport au système solaire.

Du fait de l’immense distance qui nous sépare des étoiles,
leurs mouvements propres mesurés sur une année sont extrêmement faibles.

Il faut ainsi des milliers d’années pour qu’une étoile
parcoure l’équivalent du diamètre apparent de la Lune.

Les étoiles se déplacent aussi le long de la
ligne de visée d’un observateur

Ce mouvement est appelé « vitesse radiale » de l’étoile.

Il joue un rôle majeur pour reconstituer de façon fiable
le mouvement d’une étoile dans notre galaxie.

Séquence 6 – Caméra

Alors que tout est en perpétuel mouvement,
comment font les astronomes pour mesurer la distance des étoiles ?

Séquence 7 – Voix off

Si l’on observe la position d’une étoile sur la voûte céleste pendant un an,
la durée nécessaire à la Terre pour orbiter autour du Soleil,

les étoiles les plus proches vont sembler bouger par rapport
aux étoiles plus distantes, apparemment fixes.

C’est ce que l’on appelle la parallaxe.

C’est la seule façon directe de mesurer la distance des objets célestes.

Les astronomes mesurent la position d’une étoile depuis deux points
de l’orbite terrestre éloignés d’une distance connue.

Cette distance et le déplacement angulaire, mesuré par rapport à l’arrière-plan fixe,
sont utilisés pour calculer la distance de l’étoile.

Du fait du concept de parallaxe, une étoile observée durant un an
dessine un petit cercle par rapport à l’arrière-plan.

Ce mouvement est en réalité dû à l’orbite de la Terre autour du Soleil.

Plus l’étoile est éloignée, plus le cercle est petit.

Cela signifie qu’à partir d’une certaine distance, ce cercle s’apparente à un point :
il est donc impossible de mesurer la parallaxe.

Pour les étoiles situées à quelques centaines d’années-lumière de la Terre,
l’angle est trop petit pour être mesuré précisément depuis les observatoires au sol.

C’est pourquoi les astronomes ont inventé des méthodes indirectes
pour déterminer la distance des objets célestes,

fondées sur des modèles théoriques et des suppositions.

Séquence 8 – Caméra

La mesure précise des positions des étoiles relève d’un fort héritage européen.

L’astrométrie a été pratiquée longtemps avant que la lunette astronomique ne soit inventée.

Dans la Grèce antique, Hipparque de Nicée mesurait minutieusement
à l’œil nu les positions des étoiles et des planètes.

Il produisit le premier catalogue du genre, recensant un peu plus d’un millier d’étoiles.

Au cours des siècles suivants, de nombreux astronomes parmi lesquels Tycho Brahe, John Flamsteed et Otto Struve ont continué cette tâche avec des technologies toujours plus avancées.

La mesure exacte des positions des étoiles
depuis la surface de la Terre est un exercice délicat.

Les positions ne peuvent être relevées que par rapport à d’autres étoiles visibles
et seulement pour une petite portion du ciel.

En outre, l’atmosphère terrestre altère dans une certaine mesure les images des étoiles, ce qui limite la précision avec laquelle on peut les localiser.

La plus grande avancée concernant la cartographie des étoiles survint tard au cours du XXe siècle, 40 ans après le début de l’ère spatiale.

Séquence 9 – Caméra

En 1989, l’Europe lança le premier satellite destiné à relever la position des étoiles.

Au cours d’une mission d’un peu plus de trois ans,
Hipparcos cartographia plus de 100 000 étoiles avec une très grande précision.

Cela fournit aux astronomes une vision en trois dimensions
des distances et des mouvements des étoiles proches du Soleil.

L’immense quantité de données collectée par Hipparcos est toujours utilisée
par des astronomes du monde entier plus de 15 ans après la fin de la mission.

Lorsque que l’on mesure la position des étoiles,
une énorme quantité d’informations est recueillie.

Celles-ci sont très importantes dans toutes les disciplines de l’astronomie,

les études du système solaire, de la structure et de l’évolution des étoiles et de la Voie lactée, la cosmologie et même la relativité générale.

Voyons ensemble quelques exemples…

Séquence 10 – Voix off

Grâce aux informations collectées par la mission Hipparcos,
les astronomes ont pu déterminer que la Voie lactée changeait de forme.

Ils ont découvert qu’il y a des milliards d’années, notre galaxie avait absorbé une petite galaxie voisine qui évoluait un peu trop près.

Parmi de nombreux autres résultats, les données produites par cette mission ont aidé les astronomes à prévoir l’instant de la collision entre la comète Shoemaker-Levy 9 et Jupiter en 1994

et ont confirmé la prédiction d’Einstein selon laquelle la gravité courbait la lumière.

Les catalogues de positions d’étoiles sont régulièrement utilisés
pour orienter les télescopes des observatoires astronomiques au sol,

guider les missions spatiales et animer les planétariums.

Les informations rapportées par Hipparcos ont permis aux astronomes de retracer
la trajectoire du Soleil dans la Galaxie par le passé.

Cette étude a montré qu’au cours des derniers 500 millions d’années,
le Soleil a traversé 4 des bras spiraux de la Voie lactée.

Les moments où ces traversées ont eu lieu semblent coïncider
avec des périodes froides prolongées sur Terre.

Il est possible que la densité d’étoiles et l’environnement gazeux des bras spiraux
aient un effet sur notre climat.

La cartographie de la position et du mouvement des étoiles
permet aux astronomes d’établir un système de référence,

qui permet à son tour de comparer les mesures d’un même objet céleste réalisées à différents moments, en différents lieux, et à des longueurs d’ondes différentes.

Les mesures astrométriques sont également des outils de mesure du temps.

Le Temps Universel est calculé en synchronisant le temps atomique avec la rotation de la Terre.

Mesurer la position des étoiles permet de matérialiser un système de référence
pour réaliser des observations plus précises

permettant d’atteindre une meilleure mesure de la rotation de la Terre.

En les recoupant avec d’autres sources d’informations,
les données astrométriques permettent de déterminer certaines propriétés physiques des étoiles

comme la luminosité, le rayon, la masse et l’âge.

Toutes ces données sont ensuite utilisées pour comprendre leur structure interne
et peuvent conduire à une compréhension plus profonde de l’évolution des étoiles et des galaxies.

Les informations sur les distances des étoiles, combinées à leurs modèles d’évolution,
sont utilisées pour trouver des étoiles similaires à notre Soleil tel qu’il est aujourd’hui.

Ces « jumeaux » du Soleil sont des cibles dans la recherche d’exoplanètes
susceptibles d’accueillir la vie.

Séquence 11 – Caméra

Tout cela n’est qu’un petit aperçu des sciences passionnantes et fondamentales
qui peuvent utiliser les données de l’astrométrie.

On peut citer d’autres exemples : le suivi des objets proches de la Terre,
la découverte de nouveaux objets dans le système solaire,

et même les conséquences dynamiques et la répartition de la matière noire
dans notre galaxie et dans l’univers.

En dépit de la grande qualité des données recueillies par Hipparcos,
des questions fondamentales sur notre galaxie perdurent.

Dans le ciel nocturne, la Voie lactée apparaît comme une bande de poussière et de gaz
qui obscurcit la vue du centre de la galaxie aux longueurs d’onde visibles.

L’étude d’autres galaxies a montré que la structure de la Voie lactée
devrait se composer d’un disque, d’un bulbe central et d’un halo.

Les astronomes sont sûrs que le disque de notre galaxie est en forme de spirale,
mais la façon dont ses bras se sont formés et leur nombre exact demeurent mystérieux.

Pour vraiment appréhender la structure de la Voie lactée,
les astronomes ont besoin d’observer un échantillon d’étoiles beaucoup plus large

couvrant l’ensemble de l’étendue spatiale de la Galaxie.

La mission Hipparcos a seulement étudié une infime portion des étoiles de la Voie lactée,
seulement celles situées à proximité du système solaire,

pas assez pour permettre aux astronomes d’arriver à des résultats concluants.

Il faudrait que plus d’étoiles, et à des distances plus grandes, soient cartographiées.

Séquence 12 – Caméra

Sur la base de l’héritage astrométrique européen et des enseignements d’Hipparcos,

L’ESA est en train de mettre au point Gaia,
une nouvelle mission européenne qui devrait être lancée en 2012.

Ce satellite sera capable de détecter des étoiles à la luminosité beaucoup plus faible
et de fournir des parallaxes plus précises que la mission Hipparcos.

Ainsi, au cours des 5 ans que durera cette mission,
Gaia pourra étudier 1 milliard d’étoiles dans la Voie lactée et au-delà

pour établir la carte en trois dimensions de notre galaxie
la plus large et la plus précise jamais obtenue.

Séquence 13 – Voix off

Pour assurer cette étude colossale, Gaia sera doté de deux téléscopes optiques
chargés de concentrer la lumière sur un énorme plan focal alimentant trois instruments.

L’instrument astrométrique détectera les étoiles qui croiseront son champ de vue
en renseignant les astronomes sur la position de l’étoile, son mouvement propre et sa parallaxe.

L’instrument photométrique collectera des informations sur la couleur et la luminosité de l’étoile.

Le spectromètre de vitesse radiale fournira aux astronomes le spectre de l’étoile
afin de déterminer à quelle vitesse celle-ci se déplace vers nous ou au loin.

Pour atteindre le niveau de précision et d’exactitude requis,
la charge utile de Gaia doit rester mécaniquement et thermiquement ultra-stable.

Ce double objectif peut être atteint en utilisant une céramique spéciale dans sa construction
et en protégeant la charge utile à l’aide d’un large pare-soleil qui sera déplié après le lancement.

Séquence 14 – Caméra

Gaia va collecter une immense quantité de données, de l’ordre de un pétaoctet,
soit un million de gigaoctets, données qui devront être stockées au sol et traitées.

Pour assurer cette tâche titanesque, des centaines de personnes de toutes les disciplines – astronomes, ingénieurs en logiciels, mathématiciens et informaticiens –

et dans toute l’Europe, forment le Consortium de Traitement et d’Analyse des Données (DPAC).

Ce consortium œuvrera tout au long de la durée de la mission au traitement des données,
puis pendant les trois années suivantes pour transformer ces données en une seule entité,

le catalogue Gaia, dont la finalisation est attendue aux environs de 2020.

Cela constitue un énorme défi scientifique et logistique.

L’immense quantité de données obtenue grâce à Gaia aura
un impact révolutionnaire sur l’astronomie.

Séquence 15 – Voix off

Lorsque les photons émis par les objets célestes voyagent dans le système solaire,

ils sont déviés par l’influence gravitationnelle du Soleil, des planètes,
des lunes et de corps plus petits.

C’est la courbure de la lumière de la relativité générale.

La déviation à laquelle sont soumis les photons dépend de
la distance à laquelle ils passent d’un objet et de la masse de cet objet.

La mesure et la correction de cet effet sont déterminantes
pour connaître avec précision la position d’une étoile.

Gaia va suivre la courbure de la lumière dans le système solaire et
va ainsi observer la structure de l’espace-temps avec une précision jamais atteinte.

Séquence 16 – Caméra

Les instruments très sensibles dont est doté Gaia sont capables
de détecter des objets très peu lumineux et à mouvement rapide.

Cela rend possible l’observation et l’étude des propriétés et mouvements
de centaines de milliers d’astéroïdes, comètes
et autres petits corps du système solaire,

y compris ceux qui passent près de la Terre.

Gaia va rejoindre Herschel et Planck au second point de Lagrange.

De là, elle sera idéalement située pour sonder la zone d’ombre des astéroïdes
entre la Terre et le Soleil.

Plus loin de nous, Gaia pourra détecter des dizaines de milliers
d’exoplanètes en orbite autour d’autres étoiles que le Soleil

et mesurer les caractéristiques orbitales d’une importante fraction
des planètes extrasolaires déjà connues.

Gaia mesurera directement et avec précision des
indicateurs de distance indirects, comme les étoiles variables céphéides.

Ces mesures auront un impact majeur sur notre connaissance
de l’échelle des distances dans l’univers.

Séquence 17 – Voix off

Les amas globulaires, qui sont parmi les plus vieux objets de la Voie lactée
et que l’on trouve typiquement dans le halo de notre galaxie,

seront attentivement observés par Gaia.

La mesure de leur distance permettra aux astronomes
de déterminer précisément leur âge et ainsi
d’affiner la limite inférieure de l’âge de l’univers.

Gaia assurera le recensement complet d’un milliard d’étoiles
grâce au même ensemble d’instruments.

Cela ne signifie pas seulement qu’un grand nombre d’étoiles
vont être examinées en détail

Cela signifie que tous les types d’étoiles seront étudiés,

y compris ceux dont la durée de vie est extrêmement courte ou ceux qui sont rares

Chaque étoile sera observée plusieurs fois tout au long du recensement.

Séquence 18 – Caméra

Une autre particularité de Gaia sera l’échantillonnage précis
de dizaines de millions d’étoiles variables

et de dizaines de millions de systèmes stellaires binaires.

Par-dessus tout, la large étude assurée par Gaia portera sur de très vastes distances,
pas seulement au sein du disque de la Voie lactée, mais aussi dans son halo.

Pour la première fois, les astronomes vont être capables de voir
la structure actuelle de notre galaxie et la distribution des étoiles au sein de celle-ci,

données à partir desquelles une carte en trois dimensions
de la Voie lactée pourra être réalisée.

Séquence 19 – Caméra

Grâce à ces informations cruciales sur la forme de notre galaxie et les positions précises, distances parallactiques, vitesses radiales et mouvements propres d’un milliard d’étoiles,

Gaia fournira aux astronomes suffisamment de données
pour révéler l’histoire de notre galaxie.

Ces données seront utilisées de sorte à retracer le chemin
des étoiles dans le passé afin d’en apprendre plus sur la formation de la Voie lactée,

mais aussi afin d’avancer dans le temps pour découvrir comment
notre galaxie évoluera au cours des centaines de milliers d’années à venir.

C’était Rebecca Barnes.
Merci d’avoir regardé ce vodcast Science@ESA.

traduction : Lucile Orliac