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Accueil > Recherche > Les Axes et Activités de Recherche > Astrophysique Stellaire > Services d’observation > GAIA > GAIA : les objectifs scientifiques

Gaia : optimisation du balayage céleste pour une expérience de Relativité générale

publié le , mis à jour le

Gaia est associé à un large éventail d’objectifs scientifiques qui s’ajoutent à sa science astrométrique de base, avec plusieurs tests de la théorie de la relativité générale. On traite ici de la détection de la courbure des rayons lumineux par les planètes géantes.

Une courbure relativiste de la lumière

La courbure provoquée par le Soleil et prévue par Albert Einstein, a été mesurée dès 1919 dans une expérience à grand retentissement lors d’une éclipse solaire. Gaia verra le même phénomène pratiquement pour chaque étoile, quelle que soit leur distance angulaire par rapport au Soleil, l’effet étant très important, rapporté aux capacités en précision de Gaia. Cet effet est de 4 milliarcsecondes (mas) à 90 degrés du Soleil.

Une courbure similaire mais de bien moindre ampleur, va apparaître près des planètes géantes, en particulier près de Jupiter, la planète la plus massive du système solaire. Que la planète soit vue comme une masse ponctuelle ou une sphère parfaite, la courbure subie par un rayon rasant allant d’une étoile à un observateur (passant juste au-dessus de la surface de la planète), s’élève à 16 mas et diminue linéairement avec l’écart angulaire entre l’étoile et Jupiter. Ceci sera mesuré et les observations astrométriques à proximité de Jupiter seront corrigées de cet effet.

Cependant, le défi n’est pas là : la forme générale de Jupiter s’éloigne de manière significative d’une sphère parfaite et possède d’un aplatissement notable, environ 20 fois plus grand que celui de la Terre. Pour cette raison, la déviation de la lumière ne se comporte pas comme à proximité du Soleil et montre une composante non radiale superposée à la courbure de 16 mas due à la masse de la planète. La contribution de cet aplatissement à la courbure de la lumière peut aller jusqu’à 240 microarcsecondes (muas) pour des rayons rasants, et diminue rapidement comme le cube de la séparation angulaire. Par conséquent, pour une étoile vue à un rayon de Jupiter de la surface de la planète, la déviation décroît à 30 muas, et elle n’est plus que de 4 muas à deux rayons de distance. Le champ de courbure quadrupolaire (la contribution à l’aplatissement) de Jupiter est illustré sur la figure 1, où l’échelle des flèches est indiquée en bas à gauche.

Les conditions initiales du balayage céleste

Avec la méthode adoptée pour Gaia pour scruter le ciel, Jupiter sera dans l’un de ses champs de vision environ 65 fois en l’espace de 5 ans. Jupiter n’est pas observable comme source, étant beaucoup trop volumineux et lumineux pour être détecté et mesuré. Mais les étoiles environnantes seront observées normalement même à quelques secondes d’arc de la surface de la planète. Plus une étoile sera proche de Jupiter, plus la courbure produite et sa signature seront fortes.

Comme la loi de balayage du ciel de Gaia dispose de deux paramètres libres (les deux phases initiales, l’une pour la précession de l’axe de rotation et l’autre pour la phase de rotation elle-même), il est possible de sélectionner leurs valeurs de sorte que le nombre de transits de Jupiter soit plus grand que la moyenne et se produise lorsque des étoiles brillantes sont dans son voisinage immédiat. La qualité d’un état initial particulier est mesurée par le niveau de détection (1,2 ... sigmas) du facteur quadrupolaire dans la courbure de la lumière. La tâche sera menée par le SOC (Science Operations Centre) très peu de temps après le lancement afin de trouver les meilleures conditions initiales pour cette loi de balayage céleste.

La courbure relativiste quadrupolaire de la lumière par Jupiter dans le plan du ciel, est montrée comme un déplacement apparent des étoiles. L’axe de rotation de Jupiter se trouve dans la direction Z. La plus grande déflexion est de 240 muas pour les rayons lumineux rasants et l’effet diminue au cube avec la distance du centre de Jupiter. Gaia va observer l’effet sur la position des étoiles brillantes visibles à proximité du limbe de Jupiter. Le rayon angulaire moyen de Jupiter est d’environ 20 secondes d’arc.

Ce travail est le résultat d’une collaboration entre Nice (F. Mignard, Ch. Ordenovic), Torino (U. Abbas, M.T. Crosta, M. Lattanzi), Dresden (S. Klioner) dans le groupe REMAT de la CU3 et a également bénéficié des contributions de J. de Bruijne (ESTEC), A. Mora (ESAC).

Cet article est paru dans la Newsletter N°20 de Gaia-DPAC, datée de mai 2013 - Traduction de l’anglais : LUPM

François Mignard est Directeur de recherche au CNRS, à l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA) dans le Département Cassiopée. Il a fait partie de l’équipe scientifique dans l’organisation et le suivi du projet Hipparcos, et il est depuis l’année 2000 membre de l’équipe scientifique de Gaia et président du Comité du Consortium Data Analysis (DACC).

Consultez la page Gaia du site du LUPM