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Les découvertes de Gaia : la Voie Lactée, du voisinage du Soleil à l’Univers lointain

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Les premières données publiées par le satellite Gaia de l’ESA (Release 1, ou DR1) ont fourni un nombre surprenant de résultats scientifiques. Et c’est bien l’objectif de la seconde Release, dont la publication est prévue pour le 25 avril.

Sur la base de 14 mois d’observations, la publication initiale de données avait eu lieu le 14 septembre 2016. Elle comprenait la position et la luminosité de 1,1 milliard d’étoiles, ainsi que les distances et les mouvements de deux millions de ces étoiles.

Scruter la Voix Lactée

La mission de Gaia est de créer la carte la plus précise de la Galaxie à ce jour. La version 2016 était un « package de test » conçu pour permettre aux astronomes de vérifier que la stratégie d’observation et le « pipeline » de traitement des données fonctionnent bien. Le résultat a été réussi au-delà des attentes.

Première carte du ciel par Gaia - Credit : ESA/Gaia/DPAC

Il a démontré la grande qualité des données scientifiques tirées des observations brutes faite par le satellite, en permettant aux astronomes de publier de nombreux nouveaux résultats scientifiques.

« Il y a eu plus de 300 articles soumis aux comités de lecture lors de la première publication de données. Gaia a déjà fondamentalement contribué à l’astronomie », explique Timo Prusti, chercheur au projet Gaia.

La vérification principale a consisté à contrôler que les paramètres stellaires dérivés des données Gaia sont scientifiquement robustes et que tous les effets liés au satellite et aux instruments sont correctement pris en compte. Pour ce faire, des comparaisons avec les résultats des catalogues astrométriques précédents ont également été effectuées.

Cela a eu un effet rajeunissant sur l’utilisation de ces catalogues antérieurs, car les différences entre les positions des étoiles et d’autres paramètres peuvent être utilisées pour voir comment les étoiles ont bougé ou même évolué entre temps.

La combinaison du premier lot de données de Gaïa avec celui de la précédente mission Hipparcos de l’ESA, a permis d’estimer les mouvements propres (mouvement des objets sur le plan du ciel) et les parallaxes (mesure de la distance) pour deux millions d’étoiles. Sans ces données supplémentaires recueillies plus de deux décennies plus tôt, il n’aurait pas été possible de démêler l’effet de la parallaxe et du mouvement propre à partir des données de Gaia disponibles lors de la première Release, qui couvraient un peu plus d’un an d’observation.

Inspirés par cette approche, d’autres astronomes ont effectué d’autres combinaisons.

Martin Altmann et ses collègues ont dérivé les mouvements dans l’espace de 583 millions d’étoiles en comparant les positions de Gaia avec celles du catalogue PPMXL, un ensemble de données compilées en 2010 à partir d’observations au sol, de mouvements propres et d’informations photométriques de 900 millions d’étoiles et galaxies. Avec de telles données, les astronomes peuvent projeter les orbites des étoiles en avant et en arrière dans le temps. Cela permet de représenter avec une bien meilleure précision ce à quoi ressemblait la galaxie dans le passé et ce à quoi elle ressemblera à l’avenir.

Amina Helmi et ses collègues ont publié une étude intitulée "A box full of chocolates” ["Une boîte pleine de chocolats"] dans laquelle ils ont commencé à révéler la riche structure du halo stellaire de la Galaxie. Le halo est le nuage d’étoiles qui entoure le disque principal de la Voie Lactée. Sa structure révèle les processus de formation de la galaxie. L’étude de cette structure a été l’une des principales motivations pour construire Gaia. Une surprise immédiate fut la découverte d’une grande population d’étoiles en orbite autour de la Voie Lactée dans la direction opposée à la plupart des étoiles. Ces étoiles "fantômes" tirent leur origine probablement d’une plus petite galaxie cannibalisée par la Voie Lactée.

Un autre groupe, dirigé par Ana Bonaca, a combiné les données avec des relevés spectroscopiques obtenus à partir du sol pour étudier une intrigante population d’étoiles dans le halo de la Voie Lactée. Les résultats suggèrent que ces étoiles se sont formées in situ, plutôt que par accrétion à partir de galaxies plus petites, éclairant l’histoire de l’accumulation d’objets dans notre galaxie.

Anatomie de la Voie Lactée - Credit : Left : NASA/JPL-Caltech ; right : ESA ; layout : ESA/ATG medialab

La recherche de paires d’étoiles qui se déplacent dans la même direction avec la même vitesse a permis à Semyeong Oh et ses collègues d’identifier plus de 13 000 nouvelles paires d’étoiles en mouvement. Ils ont également trouvé des associations plus importantes d’étoiles se déplaçant toutes dans la même direction, indiquant qu’elles sont toutes nées ensemble dans le même groupe d’étoiles.

Certains astronomes ont tenté d’utiliser les données Gaia pour mieux comprendre l’évolution stellaire. D’autres ont étudié la structure du disque de la galaxie.

La première version de Gaia fournit également des mesures de luminosité de plus de 3000 étoiles variables - environ 10% d’entre elles récemment découvertes par Gaia - et les positions et la luminosité de plus de 2000 quasars, qui sont des objets célestes lointains utilisés pour définir le système de coordonnées pour les astronomes pour référencer les objets du ciel.

Pourtant, tout cela n’est que la pointe de l’iceberg des données.

"La première sortie était juste un avant-goût de la seconde", explique Jos de Bruijne, directeur adjoint du projet de Gaia.

La deuxième publication de Gaia inclura des positions et des luminosités pour près de 1,7 milliards d’étoiles, des distances, des mouvements propres et des couleurs pour 1,3 milliard d’entre elles, des vitesses pour un sous-ensemble de sept millions et des mesures de luminosité pour un demi-million d’étoiles variables. Cette Release 2 étend également les positions et les luminosités à plus d’un demi-million de quasars, ce qui permettra de définir pour la première fois le référentiel céleste totalement à l’aide d’observations optiques.

Dans l’attente de la seconde Release de Gaia - Credit : ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

L’énorme et difficile tâche de traitement des données et de préparation de la publication a été confiée au consortium Gaia Data Processing and Analysis (DPAC), un consortium européen de scientifiques et d’experts en logiciels.

Anthony Brown de l’Observatoire de Leiden au Pays-Bas, est le président exécutif du DPAC. Il explique que préparer la deuxième version signifiait traiter plus d’un demi-trillion de données. Celles-ci étaient composées d’environ 1,7 milliard de sources, avec une moyenne de 20 observations par source et 15 mesures dans chaque observation.

"Si j’avais commencé à compter les sources de Gaïa, à une seconde après ma naissance, il me resterait encore cinq ans pour terminer", explique Brown qui a 48 ans. "Cela vous donne une idée du nombre de sources que nous traitons."

À la fin de la mission, le nombre de sources pourrait atteindre deux milliards et chacune d’entre elles aura été observée en moyenne 70 fois.

La deuxième Release des données de Gaia est un très grand ensemble de données, et grâce à la pratique que les astronomes ont maintenant acquise avec la première livraison de données, ils sont prêts à commencer immédiatement l’étude de la seconde version.

Que les découvertes se poursuivent !


La première version de Gaia n’avait pas été conçue pour être une base de données complète avec laquelle des découvertes scientifiques majeures pourraient être faites. Elle était plutôt prévue comme un ensemble de données de test que les astronomes pouvaient exploiter afin de se préparer pour la deuxième livraison de données de Gaia - le satellite arpenteur de l’ESA - qui présenterait un milliard de parallaxes et de mouvements propres des étoiles.

Du voisinage du Soleil à l’Univers lointain

Cependant, de nombreuses découvertes ont été faites et publiées en un an et demi entre la première version, publiée en septembre 2016, et la seconde, prévue pour le 25 avril 2018. Ces résultats démontrent à quel point les données de Gaia sont déjà productives, et à quel point sa publication de données majeures sera un événement extraordinaire.

La première versioncomprenait des positions célestes de 1,1 milliard d’étoiles, la parallaxe (une mesure de la distance stellaire) et un mouvement propre à un sous-ensemble de deux millions, plus des informations supplémentaires sur 3000 étoiles variables et 2000 quasars distants. Sur la base de cet ensemble de données, les premiers résultats inattendus de Gaia influencent déjà la façon dont nous nous représentons les environnements cosmiques proches et lointains.

Du voisinage le plus proche de notre Soleil jusqu’aux confins de l’Univers, Gaia satisfait les rêves des astronomes.

En commençant par la proximité, Coryn Bailer-Jones a identifié16 étoiles dans le catalogue qui passeront à environ 6,5 années-lumière de notre système solaire dans un proche avenir - à des échelles de temps astronomiques. La rencontre la plus proche est confirmée pour Gliese 710 - dans environ 1,3 million d’années - une étoile naine rouge que les astronomes avaient déjà identifiée comme étant relativement proche du Soleil. Les perturbations gravitationnelles provenant de ces passages proches pourraient affecter le nuage de Oort, le grand réservoir de comètes primordiales en orbite autour de la périphérie froide et sombre du système solaire. Cela pourrait pousser certains de ces objets dans le système solaire interne sous la forme de douches de comètes, où ils pourraient potentiellement affecter la Terre ou d’autres planètes.

En attente d’une rencontre stellaire ; Gliese 710 - Cliquez ici pour les détails et les grandes versions de la vidéo.
Crédit : ESA / Gaia / DPAC - CC BY-SA 3.0 IGO

Ralf-Dieter Scholz et ses collègues ont également cherché des étoiles proches, mais dans leur cas, des naines blanches et non des naines rouges. Les naines blanches sont des étoiles mortes, des restes stellaires qui étaient autrefois des étoiles comme le Soleil. Ils ont trouvé trois nouveaux candidats dans les 80 années-lumière de distance de la Terre, doublant presque le nombre de naines blanches connues dans le voisinage du Soleil et prouvant la viabilité de leur processus de recherche, prêts pour la deuxième publication de données de Gaia.

Au lieu de chercher des étoiles proches, Tommaso Marchetti et ses collègues ont implémenté un réseau de neurones d’intelligence artificielle à la recherche d’étoiles extrêmement rapides. Ces étoiles dites d’hypervélocité ont leur origine dans le disque ou le centre de la Galaxie et ont été projetées vers l’extérieur par des collisions proches avec d’autres objets célestes. Cela aurait pu inclure une rencontre avec le trou noir supermassif qui se trouve au centre de la Voie Lactée.
Beaucoup d’étoiles voyagent à présent tellement rapidement qu’elles ne reviendront jamais dans les régions centrales de la Voie Lactée. Au lieu de cela, elles seront perdues dans les profondeurs de l’espace intergalactique. Le réseau de neurones a découvert 80 candidats dans le premier ensemble de données de Gaia, que l’équipe a étudié en utilisant également d’autres télescopes, confirmant qu’au moins six candidats peuvent en effet provenir du Centre Galactique.

Étoiles à déplacement très rapide à travers la galaxie - Credit : ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

Ce ne sont pas seulement les étoiles rapides qui intéressent les astronomes. L’étude de la distribution de la vitesse des étoiles dans le voisinage solaire a montré qu’il existe de nombreuses structures cinématiques. Ce sont des groupes d’étoiles qui ne sont pas nécessairement proches les unes des autres dans l’espace mais qui se déplacent avec des vitesses similaires dans des directions similaires.

Il y a plusieurs possibilités pour que différentes étoiles aient des propriétés cinématiques similaires : elles pourraient dériver d’anciens regroupements ouverts qui se sont maintenant dissous ; elles pourraient être dues à des résonances dynamiques dans la Voie Lactée ; ou elles pourraient même être des restes de galaxies satellites accrétées qui ont fusionné avec la Voie Lactée il y a des milliards d’années.
Iryna Kushniruk et ses collègues ont trouvé 19 structures cinématiques dans la première version de Gaia, dont trois étaient complètement inconnues auparavant. La deuxième version promet de révéler ces structures de façon beaucoup plus détaillée, et peut-être d’en découvrir d’autres.

En regardant à l’extérieur de la galaxie, Gaia a commencé à redessiner la carte de nos voisins galactiques immédiats. Vasily Belokurov et ses collègues ont exploité les données pour tracer un superbe pont d’étoiles variables entre les Grands et les Petits Nuages ​​de Magellan, deux galaxies satellites de la Voie Lactée. Cela montre que ces systèmes ne sont pas complètement séparés. Les astronomes ont fait ce travail de manière créative. Ils ont examiné les erreurs estimées dans les mesures de luminosité des données Gaia, et ont réalisé que les mesures avec les plus grandes erreurs devaient être des étoiles variables pulsantes. En effet, les étoiles variables modifient leur luminosité de manière significative et génèrent ainsi les plus grandes "erreurs" par rapport à leur luminosité moyenne.

Vue de Gaia sur le Grand Nuage de Magellan. Cliquez ici pour plus de détails, des crédits complets et des versions plus grandes de l’image - Credit : ESA/Gaia/DPAC

Les premières données de Gaia ont également été utilisées pour étudier une autre galaxie voisine, connue sous le nom de Galaxie naine du sculpteur. Utilisant les mesures de la Release 1 (DR1) et du télescope spatial Hubble, Davide Massari et ses collègues ont montré que cette galaxie naine se déplace dans la Voie Lactée sur une orbite allongée et très inclinée qui l’emporte beaucoup plus loin que prévu. En traçant le mouvement des étoiles à l’intérieur de la galaxie, ils ont également été capables d’estimer la distribution de la matière noire invisible qui est nécessaire pour faire se déplacer les étoiles comme observé. Être capable de voir le mouvement des étoiles individuelles dans une autre galaxie marque le début d’une nouvelle ère pour les astronomes.

Les objets les plus éloignés observés par Gaïa sont les quasars. Ce sont des galaxies avec des noyaux intensément brillants. La puissance d’un quasar provient d’une matière exceptionnellement chaude tombant dans un trou noir central et supermassif, à travers une structure connue sous le nom de disque d’accrétion. À l’aide des données de la première version, Fernanda Ostrovski et ses collèguesont découvert un quasar gravitationnel d’une galaxie. De tels alignements permettent aux astronomes de cartographier la structure de la galaxie intermédiaire et de sonder les propriétés physiques des disques d’accrétion d’un quasar. Ils peuvent également être utilisés pour contraindre des paramètres cosmologiques tels que le taux d’expansion de l’Univers, la densité de la matière noire et l’énergie sombre.

Aussi impressionnantes que soient ces découvertes, elles ne sont qu’un avant-goût de ce qui sortira de la deuxième version de Gaia.


Traduction des articles : Gaia’s surprising discoveries – Part 1 - Scrutinising the Milky Way et Gaia’s surprising discoveries – Part 2
From the Sun’s neighbourhood to the distant Universe

Lire également : Présentation du projet Gaia