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L’oeil de Gaia

Un appareil photo d’un milliard de pixels

Le plus grand appareil photo numérique jamais conçu pour une mission spatiale : doté de 106 détecteurs électroniques individuels, un panneau d’un « milliard de pixels » sera l’« œil » ultrasensible de la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA), chargée de cartographier la Voie lactée.

A Toulouse, Airbus Defence and Space procède aux derniers ajustements des instruments scientifiques destinés au satellite Gaia, qui commencera dès 2013 à cartographier plus d’un milliard d’étoiles de notre Voie lactée. Outre l’élaboration d’une carte tridimensionnelle de notre galaxie, cette mission permettra également de vérifier la théorie de la relativité générale d’Einstein avec une précision sans précédent.

Mi-septembre, Vincent Poinsignon a assisté à l’aboutissement de plusieurs années de travail. Il avait alors sous les yeux le plus grand appareil photo numérique jamais fabriqué, d’un milliard de pixels au total. Responsable du projet, Vincent assure que cet appareil aurait pu mesurer, depuis la Terre, une tache de rousseur sur le visage de Neil Armstrong lorsqu’il est descendu du module lunaire pour poser le pied sur la Lune. Cet appareil fait désormais partie intégrante du module de charge utile du satellite Gaia, fabriqué par Airbus Defence and Space pour le compte de l’ESA et testé dans la salle blanche de l’établissement toulousain d’Airbus Defence and Space. Fin 2013, il sera lancé depuis le port spatial européen de Kourou, en Guyane, et deviendra, une fois en orbite, l’« œil » le plus puissant à avoir jamais observé la Voie lactée.

Une fois en orbite, Gaia commencera à mesurer précisément les caractéristiques d’un milliard d’étoiles, qui serviront ensuite à générer une carte tridimensionnelle de notre galaxie

« En termes astrométriques, Gaia affichera une précision 100 à 1 000 fois supérieure à celle de son prédécesseur Hipparcos », explique Vincent. Lorsque l’ESA avait lancé Hipparcos en 1989, il s’agissait du premier satellite dédié à l’astrométrie, une branche de l’astronomie portant sur la mesure de la position et des mouvements des corps célestes, ainsi que de leur distance avec la Terre. Au terme de sa mission en 1993, Hipparcos avait dressé un catalogue de 120 000 étoiles avec une précision 200 fois supérieure aux mesures réalisées jusqu’alors. Aujourd’hui, l’œil de lynx de Gaia ferait presque passer Hipparcos pour aveugle. Une fois en orbite circumsolaire, ce nouveau satellite commencera à mesurer précisément les caractéristiques d’un milliard d’étoiles, qui serviront ensuite à générer une carte tridimensionnelle de notre galaxie. Tandis qu’Hipparcos pouvait mesurer le diamètre d’un cheveu humain à 20 km de distance, Gaia sera capable d’en faire autant, mais à 1 000 km ! Cette sensibilité lui permettra de détecter plus de 250 000 objets présents dans notre système solaire (des astéroïdes pour la plupart), 15 000 exoplanètes, 50 000 naines brunes et près de 20 000 supernovæ.

 

Un diamant dans l’espace

Les capacités exceptionnelles de Gaia sont le fruit de nombreuses années de travail accomplies par une équipe de plus de 500 personnes au sein d’Airbus Defence and Space, comme l’explique Vincent, qui était précédemment chef de projet pour Mars Express, première mission européenne à destination de la planète rouge. Le satellite Gaia est équipé de deux télescopes qui, combinés l’un à l’autre, sont suffisamment puissants pour détecter des étoiles 400 000 fois plus petites que celles visibles à l’œil nu. La faible lueur qui émane de ces corps célestes est captée sur un plan focal commun aux deux satellites et composé de 106 dispositifs à couplage de charge (DCC), une version sophistiquée des puces équipant nos appareils photos numériques.

La mosaïque a été assemblée à Toulouse dans les locaux d’Airbus Defence and Space

Un élément essentiel du bâti-support des DCC, et du reste de la structure du satellite, est l’usage du carbure de silicium, un matériau céramique initialement développé comme un substitut du diamant, extraordinairement léger et résistant à la déformation sous fortes contraintes thermiques.

Airbus Defence and Space a déjà eu recours à ce matériau sur d’autres satellites, notamment l’observatoire spatial Herschel lancé en 2009. Entièrement réalisé en carbure de silicium, le miroir du télescope Herschel pèse seulement 270 kg contre 1 500 kg s’il avait été fabriqué avec une technologie standard. L’emploi du carbure de silicium permettra à Gaia de fonctionner à une température de -110 °C pour accroître la sensibilité de ses capteurs. Un bouclier solaire d’environ 10 m de long maintiendra ses instruments dans l’ombre afin de les protéger du rayonnement solaire. « Parmi les innovations de Gaia, citons le système de micro-propulsion et l’antenne, ainsi que l’emploi généralisé du carbure de silicium non seulement pour les miroirs du télescope, mais aussi pour de nombreux éléments du module de charge utile », souligne Timo Prusti, scientifique travaillant sur le projet Gaia à l’ESA.

Comme le précise Timo, l’antenne joue un rôle fondamental. Le satellite détectera et mesurera les caractéristiques de centaines d’étoiles par seconde de façon quasi-ininterrompue pendant les cinq années de sa mission. Chaque étoile sera observée près de 70 fois avec une précision « qui pourrait diviser la Lune en 180 millions de parties depuis la Terre », précise Timo. Chaque jour, l’antenne de Gaia devra envoyer 50 giga-octets de données vers la Terre sur une distance de 1,5 million de km. Au terme de la mission, les scientifiques auront cumulé un péta-octet de données, un volume équivalant à la capacité de stockage de 200 000 DVD.

 

La relativité sur le devant de la scène

La mission Gaia a été proposée en 1993 par l’astronome suédois Lennart Lindegren, de l’Université de Lund. Son idée prend enfin son envol, 20 ans plus tard. Lennart Lindegren, l’un des plus grands experts en astrométrie au monde, souligne que Gaia vérifiera également avec une précision inédite la théorie de la relativité générale proposée par Einstein, selon laquelle la masse induit une courbure de l’espace-temps. Même les rayons lumineux se courbent lorsqu’ils passent à proximité d’un objet massif comme le Soleil. « Gaia mesurera cet effet avec une précision sans précédent et observera également la déviation des rayons lumineux causée par Jupiter, la Terre et d’autres planètes », annonce Lennart. Nous espérons que toutes ces mesures illustreront la théorie de la relativité générale d’Einstein, et confirmeront ainsi notre compréhension actuelle du tissu de l’espace-temps. La méthodologie scientifique prévoit de tester constamment les théories adoptées de la façon la plus rigoureuse possible, et Gaia sera en ce sens un maître exigeant. »

Le million d’étoiles qui sera cartographié par Gaia représente à peine 1 % du nombre d’étoiles présentes dans notre galaxie

Au début du XVIIe siècle, l’astronome italien Galilée a tenté de convaincre les cardinaux de l’Inquisition que l’Univers était « écrit dans le langage mathématique, avec des caractères comme le triangle, le cercle et autres figures géométriques sans lesquelles il serait humainement impossible d’en comprendre un seul mot ». Selon Galilée, sans ces caractères, « nous errerions dans un labyrinthe obscur ». Quatre siècles plus tard, Gaia est en passe de lever le voile sur ce labyrinthe, même si beaucoup reste à faire. Le million d’étoiles qui sera cartographié par le satellite représente à peine 1 % du nombre d’étoiles présentes dans notre galaxie. Les 99 % restants devront attendre les successeurs d’Hipparcos et de Gaia…

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