28 Novembre 2011

1997 : publication du catalogue Hipparcos

Positionner les étoiles les unes par rapport aux autres, mesurer leurs distances et leurs mouvements est une clé de voûte historique de l'astronomie.
Image d'une galaxie

50 ans de résultats scientifiques

1997 : publication du catalogue Hipparcos.

Outre l'importance de l'astrométrie pour la compréhension de la structure en trois dimensions de l'Univers et la place qu'y occupe la Terre, ces observations ont longtemps servi à la navigation mais les données étaient peu nombreuses et peu précises. Le catalogue Hipparcos, ce sont 118 000 étoiles dont la position en trois dimensions, la vitesse et la luminosité ont été mesurées avec une précision sans précédent. Une mine d’or pour les astronomes du monde entier.

Mesurer la position des étoiles sur le ciel

Au 2ème siècle avant notre ère, le grec Hipparque mesure la position d’un millier d’étoiles avec une précision de moins de 0.4 degré. Ulugh Begh au 13ème siècle, Tycho Brahé au 16ème et d’autres encore poursuivront cette tâche difficile. Leurs mesures sont « relatives » : elles donnent la position des étoiles les unes par rapport aux autres.

Il faut attendre l’amélioration des techniques instrumentales pour un premier catalogue de positions absolues (par rapport à un repère fixe), comportant 14 étoiles (Friedrich Bessel, 1818). Le nombre d’étoiles mesurées et la précision continuent de s’améliorer… lentement.

Au moment du lancement d’Hipparcos en 1989, on connaît la position de 1 536 étoiles avec une précision de 50 millisecondes d’arc (mas).

Huit ans plus tard, le catalogue Hipparcos comporte 118 000 étoiles et la précision de leur position est meilleure que 2 mas ! En outre, grâce à la répétition des relevés sur plusieurs années, il s’enrichit des parallaxes trigonométriques et mouvements propres des étoiles.

Mesurer la distance des étoiles

La seule méthode directe (indépendante de toute hypothèse) de calcul de la distance d’une étoile repose sur la mesure de la parallaxe trigonométrique : le déplacement apparent d’une étoile sur la voûte céleste vu depuis la Terre au cours de sa révolution autour du soleil (voir ci-contre). Ce déplacement est d’autant plus faible que l’étoile est lointaine.

Et la parallaxe de l’étoile la plus proche, Proxima du Centaure, à 4 années-lumière, n’est que de 0.77 secondes d’arc… Là encore il faut attendre le 19ème siècle pour une première mesure de distance correcte (Bessel, 1838).

De nombreux relevés sont ensuite réalisés, mais la précision reste problématique : au moment du lancement d’Hipparcos, on ne connaît la distance avec une bonne précision (meilleure que 10%) que pour une poignée d’étoiles très proches (moins de 30 années-lumière).

Avec Hipparcos, c’est 20 000 étoiles, dans un rayon de 500 années-lumière autour du soleil, dont la distance est mesurée à moins de 10% près.

Le satellite mesure également la magnitude apparente des étoiles dans deux bandes spectrales. Conjuguée à la distance, cette donnée permet de calculer la magnitude absolue, c’est-à-dire la luminosité intrinsèque, des étoiles.

Hipparcos, une longue histoire

Proposée au départ par le Français Pierre Lacroute au CNES en 1966, la mission Hipparcos bénéficie d’une étude de faisabilité du CNES avant d’être adoptée par l’ESA en 1980.

Le principe – et la puissance – de la méthode réside dans l’observation simultanée de 2 champs nettement séparés, en l’occurrence de 58°, ramenés par un dispositif optique sur un même plan focal. Celui-ci est équipé d’un dissecteur d’image et reçoit les images des étoiles des 2 champs au travers d’une grille. Le satellite tournant en permanence sur lui-même, les images des étoiles défilent dans le plan focal, et l’analyse de la lumière reçue et de ses variations permet de déterminer la position des étoiles entre les barreaux, puis de reconstruire la position relative des étoiles entre elles.

La rotation (axe et vitesse) du satellite est définie de manière à couvrir la totalité du ciel plusieurs fois. Ainsi, chaque étoile du catalogue a été observée 110 fois en moyenne sur 3 ans. Les très nombreuses mesures d’écart angulaire entre couples d’étoiles fournissent au final un ensemble de 4 millions d’équations à 600 000 inconnues qui, après résolution, fournit les paramètres (position, parallaxe trigonométrique et mouvement propre) de chaque étoile.

Lancé le 8 août 1989 par une fusée Ariane IV depuis Kourou, le satellite est resté sur une orbite de transfert géostationnaire suite à la défaillance de son moteur d’apogée. Les équipes opérationnelles de l’ESA et les scientifiques ont alors réussi la prouesse de reconfigurer la mission en quelques semaines, pour obtenir au final des résultats meilleurs que les spécifications. Les observations ont duré jusqu’en août 1993. Les données ont été traitées par deux systèmes indépendants développés par deux consortia scientifiques, avant d’être livrées à l’ESA. Le CNES a joué un rôle important dans l’un des deux consortia.

Des retombées scientifiques...

L’impact scientifique du catalogue Hipparcos est considérable et concerne toutes les branches de l’astronomie, depuis l’étude du système solaire jusqu’à la cosmologie, en passant par la physique fondamentale et l’étude de notre Galaxie. Seuls quelques exemples sont ici mentionnés.

La définition d’un repère inertiel de référence précis est primordiale en astronomie. L’International Celestial Reference Frame (ICRF), avait ainsi été défini au départ sur la base d’observations radio, peu dégradées par l’atmosphère et bénéficiant d’un instrument de très haute précision, le Very Large Base Interferometer (VLBI). Cependant, le recalage des observations dans d’autres longueurs d’onde par rapport à ce référentiel n’était pas aisé : par exemple, les centroïdes photométriques radio et optique de la supernova SN1987 semblaient présenter un décalage inexpliqué de 0.5 mas.

Le catalogue Hipparcos permet de définir l’ICRF en optique – et montre au passage que le décalage radio/optique de SN 1987 provenait d’une erreur dans le référentiel optique utilisé. Il reste aujourd’hui encore une référence.

Grâce à Hipparcos, la position et l’orbite de 48 petites planètes du système solaire sont déterminées avec une précision jusqu’à 10 fois meilleure qu’auparavant. Les mesures permettent de prédire, et ainsi d’observer en détail, l’impact de la comète Shoemaker-Lévy 9 sur Jupiter en juillet 1994 (voir ci-contre).

Bien que seules des étoiles à moins de 500 années-lumière aient été mesurées avec précision (alors que la Voie Lactée s’étend sur 100 000 années-lumière), le catalogue permet d’étalonner d’autres méthodes utilisées pour les grandes distances. C’est le cas des Céphéides.

Ces étoiles présentent des variations périodiques de luminosité, la période et la luminosité intrinsèque étant liées.

En mesurant la période et l’éclat apparent d’une Céphéide, on peut donc déduire sa distance. Hipparcos précise la relation période/luminosité de ces étoiles et révèle ainsi que l’échelle des distances dans l’univers admise jusqu’alors doit être augmentée de 10 à 15%.

Une contradiction gênante existait entre l’âge estimé de l’Univers et celui d’amas globulaires de notre galaxie : ceux-ci semblaient en effet plus vieux que l’Univers ! En montrant que leur distance et donc leur luminosité, avaient été sous-évaluées, Hipparcos règle le problème : ces amas sont en fait plus jeunes que l’Univers.

... et applicatives

Le 8 août 1993, à l’instar des marins de l’Antiquité, les positions des étoiles sont à nouveau utilisées pour la navigation… Mais cette fois d’un vaisseau spatial : la sonde Galileo, dont les opérateurs organisent le rendez-vous avec l’astéroïde Ida grâce aux mesures d’Hipparcos.

Le succès du premier satellite dédié à l’astrométrie a conduit la communauté scientifique européenne et l’ESA à préparer son successeur : à partir de 2013, la mission GAIA mesurera la position d’un milliard d’objets, sur près de la moitié de la galaxie, avec une précision de l’ordre de quelques dizaines de microsecondes d’arc (moins de 10 pour les plus brillantes !). Il fournira également des mesures spectroscopiques sur 200 millions d’astres.

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