À l'occasion de la remise des données DR3 de la mission GaiaGaia, qui sera aussi la première publication du catalogue complet de la mission, nous avons interviewé François Mignard, directeur de recherche émérite au CNRS et responsable de la participation française à Gaia. En août 2013, quelques mois avant le lancement de Gaia - en décembre 2013 -, nous nous étions déjà entretenus avec François Mignard au sujet de ses attentes en matière de résultats scientifiques.

Il nous a paru intéressant de relire son interview et de le confronter à ses réponses à nos questions de 2013 à la réalité des données de Gaia près de 10 ans plus tard.

Futura : En 2013, vous nous dites attendre des avancées significatives dans de nombreux domaines de l’astronomie. L'utilisation des données Gaia a-t-elle déjà permis certaines avancées, voire des avancées très significatives ?

François Mignard : Oh oui. La nouvelle remise des données, la DR3, c'est énorme ! C'est du XXL. Certains parlent même de révolution ! Je n'irai pas jusque-là, mais clairement il y aura un avant et un après Gaia. On change d'époque ! Gaia amène une nouvelle façon de travailler à cause de l'abondance des données et de la précision des mesures, inégalée à ce jour.

Carte chimique de la Voie lactée par Gaia. La composition des étoiles peut nous renseigner sur leur lieu de naissance et leur voyage par la suite, donc sur l’histoire de la Voie lactée. Avec le catalogue de données d’aujourd’hui, Gaia nous apporte une carte chimique de la galaxie. Cette vue de la totalité du ciel montre un échantillon des étoiles de la Voie lactée dans le 3^e catalogue de données Gaia. La couleur indique la métallicité stellaire. Les étoiles plus rouges sont plus riches en métaux.  Avec Gaia, nous voyons que certaines étoiles de notre Galaxie sont constituées de matière primordiale, tandis que d’autres comme notre Soleil sont constituées de matière enrichie par des générations précédentes d’étoiles. Les étoiles les plus proches du centre et du plan de notre Galaxie sont plus riches en métaux que les étoiles situées à de plus grandes distances. © ESA, Gaia, DPAC, CC by-sa 3.0 IGO

Futura : Le principal objectif de Gaia est de créer la carte multidimensionnelle la plus précise et la plus complète de la Voie lactée de façon à mieux comprendre le cycle de vie des étoiles ainsi que notre place dans l’Univers. Gaia répond-il à vos attentes ?

François Mignard : Oui. Et en 6 dimensions ! Pour chaque étoile qu'il peut détecter dans la Galaxie, Gaia est capable de mesurer sa position et son mouvement, à chaque fois en trois dimensions, sa couleur ainsi que ses propriétés physiquesphysiques et même chimiques pour les plus brillantes. Ce n'est pas une description nouvelle, un peu améliorée, de la galaxie mais un enrichissement de la connaissance plus que significatif. Aujourd'hui, notre regard sur la galaxie est différent. Il y a un avant et un après. La vision d'aujourd'hui, c'est un système qui n'est pas terminé, en cours de formation et qui n'a pas encore atteint l'équilibre. Il n'est pas dans un état stationnaire et il se passe des choses que des « humains » dans 5 milliards d'années décriront comme appartenant à la période de formation de la Galaxie !

Les données de Gaia nous racontent une histoire que nous ne soupçonnions pas. La Voie lactée a une vie bien plus mouvementée et plein d'accidentsaccidents qui se déroulent en ce moment même ! C'est un résultat majeur de sorte que notre vision de la Voie lactéeVoie lactée est chamboulée. Quels que  soient les domaines concernés, les mesures de Gaia ont un facteur multiplicateur de x10 à x500 dans certains cas. C'est en cela que c'est XXL. Avec la DR3, on exploite 34 mois de données acquises jusqu'en mai 2017. Ce catalogue recense quelque 1,8 milliard d'objets célestes avec des précisions astrométriques et photométriques inédites. On va devoir réécrire de nombreux manuels ! Par rapport au catalogue précédent, celui de la DR2, certaines erreurs systématiques globales ont chuté d'un facteur voisin de 10.

On peut penser qu'aujourd'hui il n'y a pas un astronomeastronome qui n'utilise pas les données Gaia, même sans le savoir. Gaia a un impact scientifique, mais aussi sociologique sur la façon dont les astronomes utilisateurs travaillent !

Futura : Sociologique ? C’est-à-dire ?

François Mignard : Gaia, ce n'est pas seulement des résultats scientifiques. Il y a aussi un aspect sociologique en raison de l'étendue des groupes utilisateurs, la variété des sujets touchés par Gaia et l'impact sur l'organisation du travail, avec une base de donnéesbase de données unique contenant des informations si diverses mais produites par un seul satellite. C'est sans équivalent dans l'histoire de l’astronomie.

L'accaparement des résultats par toute la communauté astronomique est peut-être le meilleur signe du succès de la mission Gaia. On s'attend donc à une multitude d'articles. C'est sans précédent dans l'histoire de l'astronomie.

Les données de Gaia sont aujourd'hui à l'origine de 15 % à 20 % des articles publiés en astronomie, ce qui correspond à 1.600 articles par an. C'est aussi la première fois que le taux de production d'articles scientifiques d'une mission de l'ESA dépasse celui d'HubbleHubble, de l'ordre de 1.000 articles par an. Avec la DR3, le nombre d'articles publiés sera encore plus grand car la communauté scientifique touchée par les données de la DR3 est plus grande. En allant plus loin, on peut se dire que la vraie réussite de Gaia, ce sera lorsque les gens l'utiliseront sans le citer.

Futura : Gaia devait bousculer nos connaissances dans de nombreux domaines de l’astronomie. Les données Gaia ont-elles remis en cause des connaissances qui semblaient définitivement acquises ? Si oui, lesquelles ?

François Mignard : Oui, principalement pour la Voie lactée. Elles montrent une histoire mouvementée et surtout nous révèlent une multitude de courants stellaires, répartis partout dans la Galaxie, qui sont autant d'indices et de vestiges de son passé tourmenté de phénomènes brutaux qui ont contribué à sa formation, par étapes. Ces courants stellaires dont la duréedurée de vie s'étale sur des milliards d'années sont en quelque sorte les branches de l'arbrearbre généalogique de la Galaxie. Branches qui correspondent chacune à un événement bien précis qui a contribué à la formation de la Voie lactée. Ils montrent les étoiles qui ont été importées dans la Voie lactée depuis des galaxies parentes ou des amas stellaires. La composition des étoiles peut nous renseigner sur leur lieu de naissance et leur voyage par la suite, donc sur l'histoire de la Voie lactée.

Position de chaque astéroïde mesuré par Gaia à 12 h 00 CEST, le 13 juin 2022. Chaque astéroïde est représenté par un segment indiquant son mouvement sur 10 jours. Les corps internes se déplacent plus rapidement autour du Soleil (cercle jaune au centre). Le bleu décrit la partie intérieure du Système solaire, où se trouvent les astéroïdes proches de la Terre, les croiseurs de Mars et les planètes terrestres. La ceinture principale, entre Mars et Jupiter, est verte. Les deux « nuages » orange correspondent aux astéroïdes troyens de Jupiter. © ESA, Gaia, DPAC, CC by-sa 3.0 IGO

Futura : Concernant les astéroïdes, Gaia a-t-il été à la hauteur de vos attentes et ses données permettent-elles aujourd'hui de se faire une idée bien plus précise sur les risques de collision avec la Terre ?

François Mignard : Non. Sur ce point Gaia a été devancé par les systèmes automatiques de surveillance du ciel. Gaia n'a donc pas eu ce rôle de découvreur que nous pensions qu'il pouvait avoir. Il faut savoir que la mission Gaia a été décidée au début des années 2000, une époque où la surveillance systématique était balbutiante. Si la surveillance du ciel était restée en l'état, Gaia aurait été fantastique pour cette tâche. Cela dit, Gaia n'a évidemment pas été inutile dans ce domaine et l'objectif n'était pas la découverte de nouveaux objets. La qualité des mesures astrométriques et photométriques donne une perspective nouvelle sur la population des astéroïdesastéroïdes ! Si Gaia n'a pas été un « découvreur » de nouveaux objets, il est un « découvreur » de propriété.

Concrètement, Gaia a amélioré la mesure de l'orbiteorbite de 160.000 astéroïdes et identifié des familles d'astéroïdes à partir de la mesure photométrique des propriétés de surface.

Futura : Concernant les quasars, vous m'avez expliqué que leur référencement ne sera pas simple. Qu'en est-il exactement ? Gaia vous a-t-il agréablement surpris sur ce point ?

François Mignard : C'est une des très bonnes surprises de la mission. Gaia a découvert plus de quasars que les estimations les plus optimistes sur leur nombre. Dans la nouvelle remise des données (DR3), on comptabilise quelque 6 millions d'objets probablement de type quasarsquasars. Il y a certes dans cette sélection encore une proportion non négligeable qui sont des étoiles, mais il doit rester très peu de quasars qui ne sont pas dans la sélection. Gaia en a donc recensé plusieurs millions jusqu'à la magnitudemagnitude 20.7 !

Futura : Gaia devait en référencer environ 500.000 !

François Mignard : C'est exact, mais l'impact ne s'arrête pas là. Gaia est tellement précis qu'à partir d'un échantillon restreint de 1,6 million de quasars sans pollution stellaire, on a pu réaliser le repère de référence pour positionner les étoiles, et ceci a conduit l'UAI à requalifier l'ICRF pour inclure les données Gaia. Il faut savoir que l'ICRF est le repère primaire de tous les astronomes et astrophysiciensastrophysiciens.

Notez qu'avec les quasars « de Gaia », on a montré que le Système solaire était en accélération par rapport à l'espace cosmologique. On met en évidence que le Système solaireSystème solaire ne se déplace pas en ligne droite, et que sa trajectoire a une petite courbure : il semble amorcer un virage et tourne autour du centre de la Galaxie. Ce n'est pas un modèle, mais une mesure.

La Voie lactée en mouvement vue par Gaia (3D). Le 3^e catalogue de données Gaia de l’ESA nous montre la vitesse à laquelle plus de 30 millions d’étoiles de la Voie lactée se rapprochent ou s’éloignent de nous. C’est ce qu’on appelle la « vitesse radiale » et elle fournit la troisième dimension de la vitesse sur la carte Gaia de notre galaxie. Avec les mouvements propres des étoiles (mouvement sur le plan du ciel), nous pouvons maintenant voir comment les étoiles se déplacent sur une grande partie de la Voie lactée. Cette carte du ciel montre le champ de vitesse pour environ 26 millions d’étoiles de la Voie lactée. Les couleurs représentent les vitesses radiales des étoiles le long de la ligne de visée. Le bleu indique les parties du ciel où le mouvement moyen des étoiles se fait vers nous et le rouge montre les régions où le mouvement moyen s’éloigne de nous. Les lignes visibles sur la figure tracent le mouvement des étoiles projetées sur le ciel (mouvement propre). Ces lignes montrent comment la direction de la vitesse des étoiles varie selon la latitude et la longitude galactiques. Les grands et petits Nuages de Magellan (LMC et SMC) ne sont pas visibles car seules des étoiles avec des distances bien définies ont été sélectionnées pour réaliser cette image. © ESA, Gaia, DPAC, CC by-sa 3.0 IGO 

Futura : Vous m'avez dit vous attendre à des découvertes et des surprises sans qu'il soit possible d'en prévoir la nature. Des découvertes inattendues et des surprises ont-elles émergé des données Gaia ?

François Mignard : Oui. La plus emblématique est la collision entre la Voie lactée et la galaxie Gaia-Enceladus survenue il y a 10 milliards d'années. Une collision majeure dans l'histoire de la Galaxie car Gaia-Enceladus contenait quelque 50 milliards d'étoiles. Ce n'est pas un résultat incrémental, c'est quelque chose de fondamentalement nouveau dans l'histoire de la Voie lactée.

Autre surprise, la galaxie nainegalaxie naine du Sagittaire, voisine de la Voie lactée en rotation perpendiculaire par rapport au plan. Elle perturbe la voie lactée et engendre des oscillations à partir du centre, comme des ondes sur l'eau. Mieux encore, Gaia montre qu'environ tous les 900 millions d'années, son passage au plus près de la Galaxie déclenche toute une série de perturbations des orbites des étoiles du disque de la Voie lactée.

Parmi les autres bonnes surprises, on peut citer les données spectroscopiques. Certes l'instrument embarqué à bord du satellite a une résolutionrésolution somme toute assez moyenne par rapport à d'autres instruments mais, à la fin du compte, on s'est aperçu que c'est un des meilleurs spectroscopesspectroscopes en raison de la répétition des mesures et du fait d'être hors atmosphèreatmosphère.

Futura : Enfin, y a-t-il une « déception » dans le sens ou les données Gaia ne sont pas suffisantes ou pertinentes pour répondre à une ou des questions pour lesquelles vous comptiez pour y répondre ?

François Mignard : Oui. Nous prévoyions que le satellite aurait pu réaliser des tests comparant les prédictions de la mécanique céleste basée sur la relativité générale. La mission n'est pas encore terminée, mais on se rend compte que cela sera très difficile à réaliser. On va avoir du mal à le faire à la précision attendue parce que le signal de la déviation de la lumièrelumière par le soleilsoleil est fortement corrélé à la parallaxeparallaxe et à des effets instrumentaux, ce qui ne permet pas d'isoler la signature du phénomène.

Futura : Y a-t-il un intérêt de réaliser un Gaia 2, voire un successeur qui pourrait prendre une architecture très différente dans sa conception ?

François Mignard : Tout comme Gaia qui a été pensé par des gens qui travaillaient sur HipparcosHipparcos, un groupe de scientifiques impliqués dans Gaia a proposé à l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne, une ligne de travail qui s'appelle Gaia NIR (dans le proche infrarougeinfrarouge). L'ESA a trouvé l'initiative suffisamment attrayante pour financer des études pour voir si des détecteurs fonctionnant dans le proche infrarouge sont réalisables pour une mission de type Gaia.

Futura : Quel est l’intérêt d’un « Gaia fonctionnant dans le proche infrarouge » ?

François Mignard : Le centre galactiquecentre galactique. Notamment pour voir ce que se passe autour du trou noirtrou noir, récemment imagé. L'idée est aussi de se focaliser sur les exoplanètesexoplanètes. Nous sommes là dans le lointain, au moins 10 ans après la fin de Gaia, soit pas avant l'horizon 2040.

Les missions de Gaia, le satellite d’astrométrie européen

Article de Rémy DecourtRémy Decourt publié le 08/08/2013

Gaia est le satellite d'astrométrie le plus évolué jamais construit que nous jalouse les Américains. Construit par Astrium, il sera lancé en novembre 2013 par un lanceurlanceur SoyouzSoyouz depuis le Centre spatial guyanaisCentre spatial guyanais et succédera à Hipparcos (1989-1993), également construit par Astrium. François Mignard, directeur de recherche au CNRS, nous explique les principaux objectifs scientifiques.

Si Hipparcos avait ouvert la voie à l'astrométrie spatiale de très haute précision, en améliorant les performances au sol par un facteur 50, Gaia va révolutionner la discipline en matière de nombre d'étoiles recensées et de précision des mesures. Ainsi, le nombre d'étoiles référencées passera de 118.000 à un milliard !

La mission de Gaia consistera à cartographier en 3D la Voie lactée de façon à mieux comprendre l'origine et l'évolution de l'universunivers. Pour cela, il tournera sur lui-même en six heures, et observera tout ce qui passe devant ses deux télescopestélescopes. Ces données vont également permettre des « avancées significatives dans de nombreux secteurs de l'astronomie », nous explique François Mignard, directeur de recherche au CNRS et premier responsable du consortium de traitement des données pendant sept ans.

Gaia va dresser la carte la plus détaillée de notre Galaxie, la Voie lactée, et en révéler des zones inconnues. © DR

Gaia, ou l’observation de l’univers depuis le point de Lagrange L2

Pour réaliser sa mission, Gaia sera situé sur le point de Lagrange L2point de Lagrange L2, à 1,5 million de kilomètres de la Terre. De cet endroit, il bénéficiera d'un environnement thermique stable et demeurera en position constante par rapport au Soleil et à la Terre. Cette stabilité lui permettra de « mesurer avec une très grande précision la position et la vitessevitesse d'une étoile de la Voie lactée ou des objets situés aux confins de l'univers ». Surtout, il ne sera pas gêné par les lumières solaires et terrestres, qui seront toujours à plus de 45° des directions visées par le satellite.

Ce satellite ne va pas seulement mesurer la position des étoiles, il va également « bousculer nos connaissances dans de nombreux autres domaines ». Ainsi, les quasars de Gaia vont servir de « phares angulaires », l'orbite des astéroïdes sera mieux connue, ce qui « permettra de se faire une idée beaucoup plus précise sur les risques de collisions avec la Terre », et il sera possible de mieux appréhender « la forme de quelque 20 à 30 millions de galaxies lointaines ». Enfin, compte tenu des performances du satellite, « on s'attend à des découvertes et des surprises », sans qu'il soit possible d'en prévoir la nature.

Borner l’univers

Gaia va réaliser le relevé de quasars le plus précis et le plus grand jamais effectué. À ce jour, 150.000 sont connus, et le satellite Gaia « devrait en référencer environ 500.000 ». Mais ce ne sera pas simple. Pour discerner un quasar d'une étoile, Gaia ne peut compter que sur la qualité de la lumière, car ils apparaissent tous les deux sous la forme d'un point blanchâtre. D'un objet à un autre, « la distribution de la lumière dans les couleurs est différente ».

L'intérêt porté aux quasars vient du fait qu'ils se trouvent à l'extérieur de la Voie lactée, et qu'ils n'ont aucun mouvement relatif les uns par rapport aux autres, « à la différence des étoiles de la Galaxie, qui sont entraînées dans le mouvement général de la Galaxie ». François Mignard explique que « cela va nous permettre d'étudier la rotation de la Galaxie ». En termes plus simples, à cause de leur éloignement, les quasars s'apparentent à des repères lumineux fixes les uns par rapport aux autres. Ils seront utilisés comme bornes cosmiques, de façon à donner des directions pour étalonner le ciel précisément, « comme des bornes sur les routes qui indiquent distances et directions ». Dans ce cas, les informations données seront des directions exprimées en degrés.

Au centre de l’image, on distingue le quasar MC2 1635+119 et sa galaxie hôte. De tels quasars serviront de repères à Gaia dans son étalonnage du ciel. © G. Canalizo, université de Californie à Riverside, Nasa, Esa

Les quasars vont donc « servir d'ossature du système de référence pour Gaia ». Ce système va ainsi permettre de « déterminer les coordonnées célestes (orientation et axes) de tous les autres objets référencés par Gaia ». Ce système sera d'une très grande fiabilité. Il faut savoir que si un quasar, utilisé comme borne, bougeait à une vitesse aussi grande que celle de la lumière « on ne verrait pratiquement pas leur mouvement dans le ciel » ! Par leur éloignement, ces objets ne peuvent pas manifester de façon nette un déplacement perpendiculaire sur le plan du ciel.

Surveiller les environs de la Terre

Plus proches de nous, les objets du Système solaire sont également au programme de Gaia. On estime qu'ils sont au nombre de 350.000, et 90 % d'entre eux sont déjà référencés. Ils ont été observés au moins une fois, et leurs principaux paramètres orbitaux et caractéristiques physiques sont connus.

À la différence des étoiles, qui sont pour ainsi dire fixes dans le ciel, les objets du Système solaire ont la bougeotte. Du jour au lendemain, ils se trouvent dans des directions totalement différentes. « Ils bougent plus vite que n'importe quel autre objet stellaire. » Gaia les verra passer comme des étoiles, mais c'est leur vitesse de déplacement qui permettra de les détecter. Seuls les objets suffisamment brillants seront détectés. Le satellite ne pourra discerner « des corps de deux kilomètres situés à moins de 150 millions de kilomètres, et des plus gros à des distances plus lointaines ».

Toutatis, ici vu par le radar de Goldstone, fait l'objet de toutes les attentions en raison de la difficulté que nous avons à connaître son orbite avec précision. Or, ce satellite coupe l'orbite de la Terre. Gaia va déterminer précisément ses paramètres orbitaux, et nous saurons peut-être quand surviendra la fin du monde... © Nasa, JPL, DP

De nouveaux objets seront évidemment découverts, « plusieurs milliers très certainement, mais ce n'est pas l'enjeu de la mission ». L'intérêt de Gaia, c'est qu'il peut observer à l'intérieur de l'orbite de la Terre, « ce qui est très difficile depuis le sol », et découvrir des géocroiseurs inconnus (des astéroïdes dont l'orbite coupe celle de la Terre). Surtout, Gaia va affiner d'un facteur 100 les paramètres orbitaux des objets connus qu'il observera plusieurs fois, « notamment ceux qui menacent la Terre ». Ainsi, Apophis sera vu une cinquantaine de fois, et le calcul de son orbite sera « déterminant pour faire de meilleures prévisions de sa trajectoire future ».

Découverte possible de petites galaxies très lointaines avec Gaia

Gaia sera également utilisé pour « observer de 20 à 30 millions de galaxies de petite taille et lointaines qui apparaissent comme des points lumineux ». Compte tenu de la distance de ces objets et malgré sa résolution, Gaia ne discernera évidemment pas les étoiles qui les forment. Au mieux, il verra une sorte de tache qui occupera environ cinq pixelspixels. À partir de ces données sommaires, Gaia les classera selon des critères de forme (circulaires, elliptiques, très allongées) et les associera à des mesures de couleur et de position.

Depuis le sol, la réalisation d'un tel sondage du ciel serait fastidieuse et prendrait beaucoup de temps. « Surtout, cela n'intéresserait guère de scientifiques. » L'utilisation des données de Gaia à cet effet montre qu'avec un peu d'ingéniosité, il est possible de mettre en place « des programmes complémentaires qui ne nécessitent pas d'effort particulier des instruments ».