Les étoiles du ciel sont en mouvement par rapport à nous : certaines s’approchent – ce sont les zones sombres sur l’image ; d’autres s’éloignent – les zones brillantes. Sur cette image, nous voyons toute la sphère céleste. Le centre de notre galaxie, la Voie lactée, est au milieu de la figure, et le disque galactique s’étend horizontalement.
Les couleurs indiquent la vitesse « moyenne » à laquelle 33,8 millions d’étoiles (appartenant très majoritairement à notre Galaxie, qui en contient environ 200 milliards en tout) s’approchent ou s’éloignent de nous.
Notre Galaxie, la Voie lactée
La Voie lactée est une galaxie spirale « barrée » : elle a la forme d’un disque d’environ 130 000 années-lumière de diamètre, dont la partie centrale présente un renflement, la barre. Notre système solaire fait partie du disque et se situe à environ 27 000 années-lumière du centre Galactique. Comme nous sommes à l’intérieur la Voie lactée, nous pouvons l’étudier bien plus en détail qu’aucune autre galaxie.
Le satellite Gaia a été lancé il y a près de 10 ans par l’Agence spatiale européenne (ESA). Depuis, il a révolutionné la discipline, qui s’attache à comprendre l’histoire de notre galaxie, son fonctionnement et ses interactions avec son environnement.
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Gaia est avant tout un satellite « astrométrique » : il mesure de manière répétée les positions des étoiles sur la sphère céleste et il en déduit leurs distances et leurs vitesses transverses (c’est-à-dire leurs vitesses dans le plan perpendiculaire à la ligne de visée). Le troisième catalogue Gaia contenait notamment les distances de près de 1,5 milliard d’étoiles – en comparaison, le satellite Hipparcos, pionnier de l’astrométrie spatiale, avait permis dans les années 90 de déterminer les distances d’environ 118 000 étoiles.
Certaines étoiles s’éloignent de nous, d’autres s’approchent
Pour décrire complètement la vitesse d’une étoile, il faut mesurer, en plus de la vitesse transverse, sa vitesse d’éloignement ou de rapprochement par rapport à l’observateur, également appelée « vitesse radiale ».
Gaia effectue cette mesure à l’aide d’un spectrographe, instrument qui sépare les photons collectés en fonction de leurs longueurs d’onde (leur couleur). En effet, les spectres stellaires présentent des « raies spectrales », produites par les éléments chimiques présents dans les atmosphères des étoiles. Quand une étoile s’éloigne de l’observateur, ses raies sont décalées vers les plus grandes longueurs d’onde, alors que quand elle se rapproche, ses raies sont décalées vers les plus petites longueurs d’onde (c’est l’effet Doppler-Fizeau). On mesure la vitesse radiale en mesurant le décalage des raies spectrales.
Que nous dit cette carte de notre Galaxie ?
Tout d’abord, que les étoiles du disque de la Voie lactée sont en rotation autour du centre Galactique (on parle de mouvement de révolution). C’est ce mouvement d’ensemble qui produit l’alternance de zones sombres et brillantes dans la partie médiane de la figure : les étoiles situées dans les zones plus internes de la Galaxie se déplacent sensiblement à la même vitesse que le Soleil sur son orbite autour du centre Galactique (environ 250 kilomètres par seconde), mais sur des orbites plus courtes. Celles derrière nous semblent donc nous rattraper, alors que celles devant nous semblent nous distancer.
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Dans les zones externes, les orbites sont plus longues et le phénomène s’inverse. Les étoiles sur des orbites plus internes mettent en moyenne moins de temps à effectuer une révolution que celles sur des orbites plus externes.
Cette image nous indique également que la Voie lactée n’est pas un système isolé, mais qu’elle est entourée et interagit avec d’autres galaxies proches. Par exemple, les deux zones brillantes dans la partie inférieure droite de l’image sont deux galaxies appelées Grand et Petit Nuages de Magellan. Situées dans notre « proche banlieue », à « seulement » 160 000 et 200 000 années-lumière, leurs vitesses radiales (ils s’éloignent du Soleil à environ 260 et 150 kilomètres par seconde), très différentes de celles des étoiles d’avant plan, les font clairement ressortir par contraste.
La rotation galactique de même que la diversité des objets qui entourent la Voie lactée étaient bien sûr connues avant cette image, même si la rotation est ici représentée avec un nombre d’étoiles bien plus grand que précédemment. Il reste en revanche bien d’autres questions auxquelles ce nouveau catalogue doit, nous l’espérons, apporter des réponses. Comment la barre et les bras spiraux perturbent-ils les déplacements des étoiles ? Combien d’étoiles, aujourd’hui capturées par notre Galaxie, sont nées dans d’autres galaxies ? L’exploitation du troisième catalogue Gaia commence tout juste.