GaiaLe nom « GAIA » était initialement l'acronyme de . Une fois réalisé que l'on pouvait obtenir des mesures aussi performantes en remplaçant la configuration interférométrique initialement prévue par une configuration à base de miroirs classiques, la conception de départ a été abandonnée, mais la mission a gardé le nom « Gaia ». est une mission spatiale astrométrique consacrée à la mesure de la position, de la distance et du mouvement des étoiles, développée par l'Agence spatiale européenne (ESA). Le projet est retenu l'année 2000 comme pierre angulaire du programme scientifique Horizon 2000+. Le satellite Gaia est lancé avec succès le , pour une mission de cinq ans qui est prolongée jusqu'au , le dernier catalogue scientifique devant être délivré fin 2030 au plus tôt. Il prend la suite du satellite Hipparcos, lancé en 1989, qui a brillamment démontré les capacités des engins spatiaux dans le domaine de l'astrométrie. Gaia a pour objectif de mesurer les caractéristiques de plus d'un milliard d'objets célestes, (étoiles, astéroïdes, galaxies) jusqu'à la . Les données collectées devraient améliorer nos connaissances concernant la structure, la formation et l'évolution de la Voie lactée, et apporter des contributions significatives dans les domaines scientifiques traitant des planètes extrasolaires, du Système solaire, des galaxies extérieures ainsi qu'en physique fondamentale.
Gaia est un satellite d'environ deux tonnes qui utilise, pour effectuer ses mesures, deux télescopes formant des images se superposant sur un plan focal commun, constitué par 106 capteurs CCD de . Ceux-ci se répartissent entre trois instruments : un instrument astrométrique destiné à la mesure de la position et du déplacement des étoiles, un instrument spectrophotométrique qui mesure l'intensité lumineuse dans deux bandes spectrales et un spectromètre à haute résolution qui doit permettre notamment de calculer la vitesse radiale des objets observés les plus lumineux. Placé autour du , le satellite en rotation lente balaie l'ensemble de la voûte céleste, de manière à cumuler à l'issue de sa mission au minimum 60 observations de tous les objets identifiables par ses instruments.
Pour pouvoir produire le catalogue des objets observés à partir des quelque de données collectées par Gaia, un consortium de laboratoires, baptisé DPAC, développe des programmes particulièrement complexes nécessitant une infrastructure informatique lourde. La version finale du catalogue résultant de ce retraitement des données doit être diffusée en 2030 mais plusieurs versions intermédiaires ont été ou vont être publiées (2016, 2018, 2022, 2025, 2026). La collecte des données dans l'espace s'est achevée le (deux fois la durée de vie pour lequel l'engin spatial a été conçu) après épuisement du gaz nécessaire au contrôle de l'attitude.
Contexte L'astrométrie cartographie l'Univers
vignette|redresse=1.2|La mesure de la parallaxe annuelle d'une étoile proche consiste à mesurer la différence de position de celle-ci lorsque la Terre occupe les deux positions opposées de son orbite autour du Soleil.
Gaia est un satellite d'astrométrie. Cette branche de l'astronomie est consacrée à la mesure des positions et des mouvements des objets célestes : étoiles, planètes, astéroïdes et galaxies. L'astrométrie joue un rôle essentiel dans notre compréhension de l'Univers, dans lequel nous vivons. Elle a notamment permis d'établir que la Terre orbite autour du Soleil, révélé l'existence des galaxies et permis d'estimer la dimension de l'Univers.
Pour déterminer la position d'un objet dans le ciel, il est nécessaire de connaître : sa position dans le ciel définie par deux mesures : l'ascension droite et la déclinaison ; sa distance au Système solaire ; son mouvement propre, c'est-à-dire son déplacement apparent par rapport au Système solaire ; sa vitesse radiale c'est-à-dire son déplacement le long de la ligne de visée de l'observateur.
Les caractéristiques les plus difficiles à mesurer sont la distance au Système solaire et le mouvement propre de l'étoile. La principale technique utilisée pour déterminer la distance d'une étoile est la parallaxe : lorsque la Terre décrit son orbite autour du Soleil, les étoiles les plus proches changent légèrement de position apparente par rapport à leur arrière-plan d'étoiles. En mesurant, à six mois d'intervalle, la différence d'angle sous laquelle se présente une étoile donnée, on peut en déduire sa distance.
Le mouvement propre est déterminé en mesurant le changement de la position de l'étoile sur une longue durée. La vitesse radiale, quant à elle, est déterminée en s'appuyant sur l'effet Doppler-Fizeau qui modifie le spectre lumineux de l'étoile en fonction de cette vitesse..
Des mesures particulièrement complexes
Compte tenu de l'extrême précision des mesures nécessaire pour déterminer la distance des étoiles, celle-ci est restée très vague ou a été largement sous-estimée jusqu'au faute de disposer d'une instrumentation adéquate. La plus proche étoile de notre système solaire, Proxima Centauri, est située à une distance de milliards kilomètres (4,24 années-lumière). Ptolémée (vers 150 après JC) estimait que les étoiles étaient distantes de 90 millions de kilomètres, Képler (vers 1600) l'évaluait à 220 milliards de kilomètres, Newton (1685) à milliards. Les premières mesures de parallaxe, effectuées par l'astronome allemand Friedrich Wilhelm Bessel pour déterminer la distance de l'étoile de 61 du Cygne en 1838, sont les premières à fournir une valeur pratiquement exacte..
Mais l'angle est extrêmement faible : pour une étoile située à seulement - comme 61 du Cygne - la parallaxe est de . Dans ces conditions, les mesures effectuées depuis le sol ne permettent d'établir une distance fiable que pour un nombre très restreint d'étoiles : depuis la Terre la parallaxe ne peut être mesurée qu'avec une précision de d'arc ce qui limite les observations à alors que notre Galaxie en compte environ 400 milliards. Aussi les catalogues recensant les positions des étoiles et établis à l'aide de télescopes terrestres ne portent que sur un très faible nombre d'étoiles (cf tableau ci-dessous). Seules les mesures effectuées depuis l'espace permettent d'obtenir une précision bien plus importante. Toutefois cette technique ne permet pas d'évaluer directement les distances d'objets situés au-delà de notre galaxiePour les sources extra-galactiques, il faut utiliser d'autres méthodes combinant une mesure de l'éclat apparent de la source à des propriétés physiques connues par ailleurs..
+Catalogues d'étoiles Date Auteur Source des données Désignation du catalogue Nombre d'étoiles recensées1904 Newcomb Télescope terrestre 721924 Schlesinger Télescope terrestre Premier catalogue général de parallaxes trigonométriques 1963 Jenkins Télescope terrestre Catalogue des parallaxes de Yale 1995 van Altena, Lee, Hoffleit Télescope terrestre Quatrième catalogue général de parallaxes trigonométriques 1997 Perryman et al., ESA 1200 Satellite Hipparcos Catalogue Hipparcos 2022 ESA/DPAC Satellite Gaia Catalogue Gaia DR3 1,5 milliardvers 2030 ESA/DPAC Satellite Gaia Catalogue Gaia DR5 2 milliards
La naissance de l'astrométrie spatiale : Hipparcos (1989)
En 1980, l'Agence spatiale européenne (ESA) décide de développer un satellite consacré à l'astrométrie, baptisé Hipparcos. C'est la première fois qu'un engin spatial est conçu pour mesurer les distances entre les étoiles et, malgré les déboires rencontrés par le satellite lors de sa mise en orbite en 1989, les résultats font progresser de manière radicale cette branche de l'astronomie, révélant le positionnement de plus de dans le ciel, avec une précision supérieure à , soit mieux que ce qui se faisait jusque-là. Dans les années 1990, les progrès technologiques permettent d'envisager le développement d'un engin encore plus performant. Les premières études industrielles du successeur d'Hipparcos sont financées par l'ESA vers 1995, tandis que des études destinées à mettre au point les technologies nécessaires sont lancées. Le projet résultant est proposé à l'Agence spatiale européenne sous l'appellation GAIA, acronyme de . Mais la technique de mesure proposée utilise l'interférométrie, une solution qui sera abandonnée par la suite..
De la sélection du projet à sa mise en orbite (2000-2013) vignette|Assemblage final de Gaia à Kourou quelques semaines avant le lancement. Le pare-soleil est en position repliée.
Le , le comité du conseil scientifique spatial SSAC () de l'Agence spatiale européenne (ESA) recommande la sélection du satellite d'astrométrie Gaia comme pierre angulaire du programme scientifique Horizon 2000+ de l'ESA.. Le , l'ESA entérine ce choix avec celui de quatre autres missions, en fixant la date de lancement à 2012 au plus tard.. Mais le Conseil des Ministres des pays membres de l'Agence spatiale, en à Édimbourg, décide une progression plus modeste que prévu du budget alloué au programme scientifique de Horizon 2000+ , ce qui entraîne une diminution de des fonds disponibles pour les missions scientifiques.. Confronté à cette réduction de budget, le comité du programme scientifique de l'ESA décide, le , d'opter pour une version allégée de Gaia, en demandant de remplacer la fusée Ariane 5, prévue à l'origine pour son lancement, par le lanceur Soyouz, moins coûteux.. Ce changement nécessite de faire passer la masse du satellite de à , tout en maintenant les performances prévues. Pour y parvenir, les concepteurs du satellite choisissent de superposer sur le même plan focal les images des deux télescopes, tout en allongeant le chemin optique pour supprimer les distorsions de l'image. Parallèlement, la résolution du spectromètre est améliorée d'un facteur deux, tandis que les capacités de l'instrument photométrique sont accrues.
Le , sur la base de cette nouvelle conception, la date de lancement est fixée à 2011 par le comité du programme scientifique de l'ESA. Le , l'engin spatial entre en phase de définition détaillée (phase B1), puis la phase B2 de réalisation du projet est approuvée le par le comité., et la maîtrise d'œuvre est confiée au constructeur EADS Astrium. L'établissement de Toulouse a la responsabilité de mener à bien le développement, tandis que les sous-ensembles sont confiés aux établissements de la société, au Royaume-Uni et en Allemagne. Deux autres industriels jouent un rôle important : BOOSTEC qui réalise la structure du télescope en carbure de silicium et e2v qui fournit les CCD. Le , un appel d'offres est lancé pour le traitement et l'analyse des données collectées par Gaia, qui nécessite des moyens particulièrement importants. Le , le comité du programme scientifique confie cette mission au consortium DPAC (Data Processing and Analysis Consortium), rassemblant plusieurs centaines de scientifiques et d'ingénieurs.. Le coût total de la mission est évalué à environ 740 millions d'euros (2013), en incluant la fabrication, le lancement et les opérations au sol, mais sans le traitement scientifique des données au sol, qui reste à la charge des États membres de l'Agence spatiale européenne.
Principes de mesure vignette|redresse=1.5|Loi de balayage de Gaia. vignette|Gaia effectue une rotation toutes les 6 heures en maintenant son axe optique à un angle constant de 45° par rapport au Soleil.