Gaia, l'arpenteur qui a cartographié près de deux milliards d'étoiles
Pendant plus de onze ans, le satellite Gaia de l'ESA a mesuré la position, la distance et le mouvement d'étoiles par centaines de millions. Sa carte de la Galaxie a déjà réécrit une partie de son histoire.
Le 19 décembre 2013, une fusée Soyuz-Fregat décolle de Kourou, en Guyane, avec à son bord un satellite de l'Agence spatiale européenne au programme d'apparence modeste : mesurer très précisément la position des étoiles. Installé à environ 1,5 million de kilomètres de la Terre, au point de Lagrange L2, Gaia a tourné lentement sur lui-même pendant plus de onze ans, balayant le ciel encore et encore. Il a cessé ses observations scientifiques le 15 janvier 2025, faute de gaz de propulsion, puis a été définitivement éteint le 27 mars 2025, sur une orbite autour du Soleil où il ne gêne aucun autre engin.
La parallaxe, ou l'art de cligner des yeux
Tendez un doigt devant vous et regardez-le alternativement avec l'œil gauche puis l'œil droit : il semble sauter par rapport au décor. Plus le doigt est proche, plus le saut est grand. C'est la parallaxe, et c'est la méthode la plus directe pour mesurer la distance des étoiles.
Pour les astronomes, les deux « yeux » sont les positions de la Terre à six mois d'intervalle, de part et d'autre de son orbite autour du Soleil. Une étoile proche semble alors se déplacer légèrement sur le fond des étoiles lointaines. En mesurant cet angle, on obtient sa distance par simple géométrie, sans aucune hypothèse sur la nature de l'étoile.
La difficulté est que ces angles sont minuscules. Pour les étoiles les plus brillantes, Gaia atteint une précision de l'ordre de 20 millionièmes de seconde d'arc. Un calcul simple montre que cela correspond à la taille apparente d'une pièce de quelques centimètres posée sur la Lune. Pour y parvenir, ses instruments se partagent 102 détecteurs électroniques de type CCD, dont 76 consacrés à la seule mesure des positions. En répétant ses mesures au fil des années, il obtient aussi le mouvement propre des étoiles, c'est-à-dire leur lente dérive sur le ciel.
Un recensement de la Galaxie
Les données de Gaia sont rendues publiques par étapes. La troisième publication, ou DR3, est parue le 13 juin 2022. Elle contient 1 811 709 771 sources, soit près de 1,8 milliard d'objets. Pour environ 1,47 milliard d'entre eux, elle donne la position, la parallaxe et le mouvement propre. Elle fournit aussi la vitesse radiale, celle qui rapproche ou éloigne l'étoile de nous, pour près de 34 millions d'étoiles, ce qui permet de reconstituer leur mouvement en trois dimensions.
Le catalogue ne se limite pas aux étoiles. Il recense plus de 158 000 petits corps du Système solaire, astéroïdes pour la plupart, environ 6,6 millions de candidats quasars et 4,8 millions de candidats galaxies. Plus de dix millions de sources y sont aussi analysées comme variables : leur éclat change au fil du temps.
Des découvertes inattendues
En 2018, une équipe menée par Amina Helmi a repéré dans les données de Gaia un groupe d'étoiles aux trajectoires très allongées, qui tournent à contre-courant de la plupart des autres. Ce sont les restes d'une galaxie baptisée Gaia-Enceladus, qui serait entrée en collision avec la Voie lactée il y a environ 10 milliards d'années. Notre Galaxie porte donc encore la cicatrice de sa jeunesse.
En avril 2024, Gaia a révélé un trou noir de 33 masses solaires, nommé Gaia BH3, à environ 2 000 années-lumière. Il n'émet aucune lumière : il a été trahi par le mouvement d'une étoile qui tourne autour de lui. C'est le plus massif des trous noirs d'origine stellaire connus dans notre Galaxie.
Et sur Terre ?
Gaia ne sert pas qu'à l'astrophysique. Ses positions d'étoiles constituent désormais une référence pour étalonner d'autres télescopes et relevés, et ses mesures sur des centaines de milliers d'astéroïdes affinent le calcul de leurs orbites, utile à la surveillance des objets qui croisent la route de la Terre. Toutes ces données sont ouvertes : chercheurs, enseignants et amateurs peuvent les interroger gratuitement.
La méthode de Gaia, l'astrométrie, peut aussi trahir des planètes : une planète fait légèrement osciller son étoile, et cette oscillation se voit dans sa position sur le ciel. C'est le principe de la mission TOLIMAN, qui doit surveiller pendant des années le balancement d'Alpha du Centaure A et B (voir la marche G-SGT-01).
Ce qui reste à venir
Gaia ne regarde plus le ciel, mais l'essentiel de son œuvre reste à publier. Selon l'ESA, la quatrième publication, fondée sur 5,5 années de données, est attendue en 2026, et la cinquième, qui couvrira l'ensemble des 10,5 années de la mission, vers la fin de la décennie. Avec une durée de mesure plus longue, les oscillations les plus subtiles deviendront visibles. Les astronomes y chercheront des milliers de planètes géantes, d'autres trous noirs discrets et de nouvelles traces de l'histoire mouvementée de notre Galaxie.