Le satellite

Cette nouvelle mission construit sur l’expérience de la mission Hipparcos : même soin apporté à l’examen préalable des potentialités scientifiques du projet, même principe pour le satellite (à balayage) et le télescope (deux champs du ciel combinés dans le plan focal), afin d’obtenir de l’astrométrie globale et d’utiliser de manière optimum le temps d’observation disponible. Elle pare aussi, dès sa conception, aux problèmes rencontrés par Hipparcos : détection systématique à bord (pour une meilleure statistique de l’échantillonnage de la Galaxie), des performances accrues pour la photométrie (afin de déterminer, en parallèle aux paramètres astrométriques, les caractéristiques physiques des objets observés) ; et enfin, un instrument spectroscopique à bord pour obtenir directement les vitesses radiales par effet Doppler (troisième composante de la vitesse spatiale des étoiles).

Les progrès de la technologie (mode de détection, puissance de calcul disponible à bord, etc.) et des miroirs nettement plus grands que celui d’Hipparcos (miroirs rectangulaires de 1,45 m × 0,50 m, à comparer au miroir de 29 cm de diamètre d’Hipparcos) entraînent un bond spectaculaire tant dans la précision attendue (20 millionièmes de seconde de degré à la magnitude 15) que dans le nombre d’objets observables (un milliard d’objets).

Le satellite
D’une masse totale de 2 tonnes, le satellite Gaia doit être lancé par un vaisseau Soyouz et rejoindre le point de Lagrange L2 situé à environ 1.5 million de kilomètres de la Terre dont un des avantages est de procurer un environnement thermique extrêmement stable. Là, il décrira une orbite de type Lissajous pour éviter les éclipses du Soleil par la Terre, afin de pouvoir alimenter ses panneaux solaires.

Principes de mesure
Tout comme son prédécesseur Hipparcos, pionnier de l’astrométrie spatiale, Gaia observera simultanément deux directions de visée en tournant continûment avec une légère précession, et tout en conservant le même angle 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 sera observé en moyenne 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, 2 pour leur dérivée par rapport au temps (mouvement propre), ainsi que la parallaxe annuelle.

Il manque néanmoins un sixième paramètre pour tout connaître de la position et de la vitesse des objets dans l’espace. Ce paramètre, la vitesse radiale, est obtenu par effet Doppler-Fizeau grâce à un spectromètre également à bord de Gaia.

Caractéristiques

La charge utile de Gaia consiste en :

• un miroir de 1,45 × 0,5 m2 pour chaque direction de visée (représentant 1,7° × 0,6° sur le ciel)
  un plan focal sur lequel sont projetées les deux directions de visée et constitué de 106 CCDs de 4500×1966 pixels opérant à une température de 170 °K.
• un instrument photométrique, constitué de deux prismes en silice fondue, le premier BP (pour Photomètre Bleu) opérant dans la gamme de longueur d’onde 330–680 nm ; l’autre (RP pour Rouge) couvrant la gamme 640–1050 nm.
• un spectromètre observant les objets jusqu’à la magnitude 18 environ, dans le domaine des raies du calcium ionisé, entre 847 et 874 nm.

Le lien télémétrique avec le satellite 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 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

Adopté par l’ESA comme mission Pierre Angulaire numéro 6 le 13 octobre 2000, confirmé le 27 mai 2002, Gaia doit être lancé fin 2013. Le coût total de la mission est d’environ 557 millions d’euros (euros 2006), comprenant la fabrication, le lancement et les opérations au sol. La maîtrise d’œuvre a été confiée à EADS Astrium.

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. La quantité ne sera pas en reste : 5 ans de mission avec un débit de données compressées de 1Mbit/s correspond à environ 60TB. Le traitement scientifique au sol de ces données, à la charge des Etats membres, se révèlera d’ailleurs extrêmement complexe, compte tenu de la diversité du ciel (étoiles variables, étoiles doubles, etc.) : consacrer ne serait-ce que 1s de temps de traitement par objet nécessiterait 30 ans de calcul en tout.

Mission révisée

En novembre 2001, un travail intensif a été effectué en vue de définir une version révisée de la mission, qui lui permette un lancement par une fusée Soyouz, plutôt que par Ariane 5. Ceci a entraîné essentiellement une diminution du diamètre de la charge utile, et une simplification du plan focal (un seul plan focal où les deux champs visés sont combinés).

Les objectifs scientifique essentiels ont été conservés :

• survey astrométrique et photométrique multibandes jusqu’à la magnitude 20
• précisions astrométrique et photométriques inchangées

La résolution angulaire des observations photométriques en bandes intermédiaires a été légèrement dégradée, et le traitement des données plus complexe.