1/ IDENTIFICATION (Titre et P.I.s Francais)

GAIA
Global Space Astrometry for the 21st Century

François Mignard et Catherine Turon

2/ OBJECTIFS

Par la détermination des distances, mouvements (tangents et radiaux), et magnitudes en 15 bandes photométriques, de plus d'un milliard d'objets jusqu'à la magnitude 20, la mission GAIA permettra d'obtenir des données de base pour tous les types d'étoiles de toutes les populations stellaires de notre Galaxie. Ces données, complémentaires des observations qui peuvent être obtenues par la haute résolution spatiale et spectrale, permettront de contraindre les modèles et d'affiner les théories pour des domaines qui vont de l'évolution stellaire à l'histoire de notre Galaxie, de la dynamique du Groupe Local à la détection de dizaines de milliers de systèmes planétaires extra-solaires, d'un survey exhaustif des petits corps du système solaire à de nouveaux tests de la relativité générale.

3/ PRESENTATION SCIENTIFIQUE

Objectifs scientifiques majeurs:

Physique galactique

Physique stellaire

Systèmes planétaires extra-solaires

Systèmes de référence

  • observation d'environ 5.106 quasars permettant la réalisation directe du système de référence ICRS dans le visible
  • plus de 30 000 étoiles par degré carré
  • réalisation du système dynamique par l'observation de 106 objets du système solaire, comparaison avec l'ICRS

Echelle des distances, Groupe Local

  • luminosité absolue de tous les indicateurs primaires de distance,
  • détermination directe des distances individuelles pour les étoiles les plus brillantes des galaxies voisines
  • distance des Nuages de Magellan, de Sagittarius
  • parallaxes de rotation des galaxies du Groupe Local
  • dynamique du Groupe Local, orbites

Galaxies extérieures

  • survey photométrique de plus d'un million de galaxies
  • détection de plus de 100 000 supernovae
  • détection de quelques millions de quasars

Système solaire

  • 105 ó 106 nouveaux astéroïdes, de Vénus à la ceinture de Kuiper
  • masses et diamètres, satellites et binarité
  • classes taxonomiques à partir de la photométrie multicouleur

Physique fondamentale

  • coefficient de courbure de la métrique à ± 5 x 10-7
  • facteur de précession du périhélie des astéroïdes à ± 10-4 à 10-5
  • moment quadrupolaire de Soleil à ± 10-7 à 10-8
  • variation séculaire de la constante de la gravitation à ± 10-12 à 10-13 an-1

4/ DESCRIPTION DE L'EXPERIENCE

GAIA est une mission ESA, proposée comme Pierre Angulaire.

C'est un satellite à balayage systématique du ciel, mesurant très précisément des coordonnées à une dimension sur les grands cercles balayés, simultanément dans deux champs du ciel séparés de 106°. Les principes de base sont les mêmes que ceux de la mission Hipparcos.

Les deux télescopes astrométriques ont des miroirs principaux de 1.7 m x 0.7 m, un champ de 0.32 degré carré, et une bande passante de 300 à 1000 nm. Le télescope photométrique / spectroscopique a un miroir de 0.75 m x 0.70 m et un champ de 2.6 degrés carrés.

Le lancement est prévu avec Ariane 5 (lancement double), sur une orbite en Lissajous autour d'un point de Lagrange L2 du système Soleil-Terre, pour une mission de 5 ans.

Observations:

  • plus d'un milliard d'étoiles. Survey complet jusqu'à la magnitude V = 20.
  • paramètres astrométriques (positions, parallaxes et mouvements propres) d'une précision inégalée: de 4 µas (micro seconde de degré) à la magnitude 10, 10 µas à la magnitude 15, 160 µas à la magnitude 20.
  • photométrie multicouleur: 4 bandes larges (longueurs d'onde centrales de 326 à 826 Å), 11 bandes intermédiaires (longueurs d'onde centrales de 326 à 894 Å), précision: de quelques millièmes de magnitude à quelques centièmes selon la magnitude.
  • vitesse radiale jusqu'à la magnitude 17, précision de 1 à 10 km/s
Cette précision astrométrique permet de déterminer des distances avec une précision relative meilleure que 10% pour environ 220 millions d'étoiles, jusqu'à près de 30 kpc pour les étoiles les plus brillantes (V < 12). Par comparaison, les précisions Hipparcos sont de l'ordre de la milli-seconde de degré (mas), et des distances à mieux que 10% sont disponibles pour 21000 étoiles, jusqu'à une distance maximum de 220 pc.

5/ EQUIPES ET LABORATOIRES IMPLIQUES (en France et ailleurs)

Projet Européen.
PIs: M.A.C. Perryman (ESA, Study Scientist) et L. Lindegren, (Lund Observatory).
Science Advisory Group (en plus des deux PIs): K.S. de Boer (Bonn), G. Gilmore (Cambridge), E. Høg (Copenhagen), M.G. Lattanzi (Torino), F. Mignard (Grasse), X. Luri (Barcelona), P.T. de Zeeuw (Leiden), O. Pace (ESA, Study Manager), F. Favata (ESA), S. Volonte (ESA).
Trois Groupes de Travail rassemblant une cinquantaine de personnes (Science Working Group, Photometry Working Group, Instrument Working Group) + un groupe informel (Members at large, comprenant aussi une cinquantaine de personnes).
Des participants de quasiment tous les pays d'Europe, et quelques uns d'ailleurs.

En France:
Cerga, Observatoire de Paris-Meudon, Observatoire de Strasbourg, GRAAL Montpellier
Une personne dans le SAG (F. Mignard) ; huit personnes dans les Groupes de Travail (F. Arenou, A. Bijaoui, M. Crézé, A. Gómez, J. Laskar, Y. Lebreton, M. Spite, C. Turon) ; dix dans les Members at large (A. Baglin, O. Bienaymé, D. Egret, M. Froeschlé, J.L. Halbwachs, D. Hestroffer, J. Kovalevsky, S. Loiseau, M.O. Mennessier, N. Robichon).

Participations essentielles (jusqu'à maintenant):

  • prospective scientifique (Cerga, Paris-Meudon)
  • algorithmes de compression des données (Cerga)
  • optimisation des paramètres de balayage du ciel (Cerga)
  • algorithmes de détection (Paris-Meudon)
  • simulations d'images et de champs encombrés (Paris-Meudon)
  • simulations des observations spectroscopiques et des déterminations de vitesses radiales (Paris-Meudon)
  • gestions des très grands catalogues (Strasbourg)

6/ HISTORIQUE ET ETAT D'AVANCEMENT

La mission GAIA a été proposée en réponse à l'appel à idées pour des missions "Pierres Angulaires" lancé par l'ESA en 1993 (Lindegren et al. 1993, Lindegren & Perryman 1994 et 1995, Lindegren et al. 1995). Le "Horizon 2000+ Survey Committee" de l'ESA a recommandé l'adoption d'une mission d'astrométrie globale pour la prochaine Pierre Angulaire si la précision de 10 micro-seconde de degré à la magnitude 15 pouvait être atteinte.

GAIA est à l'étude à l'ESA, avec de multiples participations des laboratoires, depuis plus de deux ans. Une étude de faisabilité "Concept and Technology Study" a été effectuée par Matra Marconi Space (Toulouse) en 1997-1998. Cette étude a montré la faisabilité de la mission: astrométrie à 10 micro-seconde de degré (le diamètre d'un cheveu à 1000 km ...) pour des étoiles de magnitude 15, encore plus précise pour les plus brillantes, observation (et mesure) systématique de tous les objets jusqu'à la magnitude V = 20, observations parallèles de vitesses radiales et de photométrie.

Cette étude a montré que ces objectifs pouvaient être atteints d'ici 2009, dans le cadre de l'enveloppe budgétaire prévue pour une mission Pierre Angulaire. Les aspects technologiques à développer ont été identifiés et définis.

Parallèlement, un étude approfondie des objectifs scientifiques et des multiples retombées possibles a été menée sous la direction du Science Advisory Group, avec la participation de trois groupes de travail comprenant environ 50 personnes. Un document complet ("livre rouge") est en cours de finalisation. Les aspects scientifiques sont déjà présentés sur le site web de l'ESA/ESTEC indiqué ci-dessous.

Une décision au sujet de la Pierre Angulaire n°5 (2009) doit être prise par les instances de l'ESA en Septembre 2000.

7/ PROGRAMMES ET GDRs AUTRES QUE L'ASPS IMPLIQUES

GDR Galaxies
Programme National Planétologie
Programme National de Cosmologie

8/ DOCUMENTATION ET LIENS WWW POUR PLUS D'INFORMATION

Sites web très complets à l'ESA/ESTEC:
- sur Hipparcos http://astro.estec.esa.nl/SA-general/Projects/Hipparcos/hipparcos.html
- sur Gaiahttp://astro.estec.esa.nl/GAIA/où sont présentés:

  • la mission dans son ensemble,
  • des détails sur les performances astrométriques et photométriques, les mesures de vitesses radiales,
  • une présentation complète des applications scientifiques (la partie scientifique du "Study Report" y est disponible)
  • des informations sur le satellite, la charge utile, le lancement et l'orbite
  • des informations sur le Science Advisory Group, les groupes de travail, la bibliographie, etc.