HIPPARCOS, mission

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Lancé par Ariane IV le 8 août 1989, le satellite européen Hipparcos (High Precision Parallax Collecting Satellite) a observé le ciel durant quatre ans. Cette mission spatiale, la première à être dédiée à l’astrométrie – branche de l’astronomie qui détermine la position et les mouvements des astres sur la sphère céleste par des mesures d’angles –, a révolutionné notre connaissance des étoiles situées au voisinage du Soleil. Elle a permis d’établir le plus grand catalogue des distances stellaires de l’époque avec des paramètres très précis. Le développement de ces connaissances est une des clés pour acquérir une meilleure compréhension des mécanismes physiques qui régissent l’Univers.

Comprendre l’Univers

Depuis toujours, les humains observent le ciel… et une de leurs premières impressions fut que les étoiles étaient comme fixées sur la voûte céleste en rotation, groupées en constellations évoquant les formes de certains objets ou animaux – le Lion, le Scorpion… – qu’ils côtoyaient. C’est la sphère des fixes des Anciens, qui pensaient donc, dans leur grande majorité, que les étoiles se trouvaient toutes à une même distance de la Terre : il leur manquait, en effet, la troisième dimension, c’est-à-dire la profondeur. En fait, deux sortes de mouvement « déplacent » les étoiles sur le ciel : leur mouvement dans la Galaxie par rapport au Soleil (donc par rapport à nous, observateurs terrestres), appelé mouvement propre, et leur mouvement apparent sur le fond du ciel provoqué par le déplacement de la Terre sur son orbite autour du Soleil. Ce dernier phénomène permet de mesurer la distance des étoiles au Soleil : depuis la Terre, une étoile proche ne se projettera pas sur le fond des étoiles lointaines au même endroit selon qu’elle est observée au printemps, en été, à l’automne ou en hiver : elle décrit une ellipse, répétée d’année en année. L’angle sous lequel on pourrait observer, depuis l’étoile, le demi-grand axe de l’orbite terrestre est appelé parallaxe trigonométrique. La difficulté provient de notre situation dans une région très vide de notre Galaxie : les étoiles les plus proches sont déjà très lointaines et leurs mouvements réguliers paraissent absolument minuscules. Pour l’étoile la plus proche du Soleil, Proxima du Centaure, l’angle à mesurer est 2 500 fois plus petit que la dimension apparente de la Lune… et, pour une étoile située au centre de la Galaxie, il est 15 millions de fois plus petit !

Parallaxe trigonométrique

Parallaxe trigonométrique

dessin

Du fait du mouvement annuel de la Terre autour du Soleil, les étoiles semblent se déplacer dans le ciel. Leur mouvement, dit apparent, décrit alors, au cours d'une année, une ellipse (deux exemples ici, avec les ellipses AB et CD), qui est d'autant plus grande que l'étoile est proche du... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La première mesure de parallaxe trigonométrique ne date que de 1838. Dans les années 1970, la précision des mesures effectuées depuis le sol butait sur nombre de difficultés techniques : la turbulence et la réfraction atmosphériques, la flexion des instruments due à la pesanteur, les irrégularités du mouvement de la Terre et l’impossibilité d’observer l’ensemble du ciel avec le même télescope. Sur les 6 000 étoiles du catalogue de référence de l’époque, seulement 300 d’entre elles, les très proches du Soleil, avaient une estimation de distance assez précise.

L’avènement de l’astrométrie spatiale

Dès 1965, soit seulement huit ans après le lancement de Spoutnik-1 – premier satellite artificiel –, l’astronome Pierre Lacroute, alors directeur de l’observatoire de Strasbourg, expose l’idée très originale d’effectuer ces mesures depuis l’espace. Il propose ce projet au Centre national d’études spatiales (CNES) deux ans plus tard. Trois des principes de base de la future mission Hipparcos étaient déjà posés : un miroir complexe permettant l’observation simultanée d’étoiles dans deux champs du ciel situés à 90 degrés l’un de l’autre ; un satellite balayant régulièrement l’ensemble du ciel ; la présence, dans le plan focal, d’un dispositif permettant une mesure précise de l’angle séparant les étoiles présentes simultanément dans le champ d’observation (grille composée de bandes alternativement opaques et transparentes modulant la lumière reçue des étoiles observées).

Après plusieurs pré-études effectuées par le CNES puis l’Agence spatiale européenne (ESA pour European Space Agency), et une prospective scientifique approfondie, ponctuée de plusieurs colloques internationaux, le premier satellite astrométrique de l’histoire de l’astronomie, appelé Hipparcos, était finalement sélectionné par l’ESA en 1980 avant d’être lancé le 8 août 1989. Malgré la panne de son moteur d’apogée, qui a contraint le satellite à rester sur une orbite très elliptique traversant plus de quatre fois par jour les dangereuses ceintures de radiations de Van Allen, Hipparcos a pu effectuer des observations pendant quatre ans. Il a observé 118 000 étoiles, soigneusement sélectionnées à l’avance pour leur intérêt scientifique mais aussi pour pouvoir être observées au mieux par le satellite. Le catalogue obtenu, The Hipparcos Main Catalogue, publié en 1997, contient, en particulier, les parallaxes trigonométriques (à partir desquelles sont calculées les distances des étoiles) et les mouvements propres de ces 118 000 étoiles avec une précision de l’ordre du millième de seconde de degré, soit plus de dix fois mieux que la précision au sol, ainsi que des mesures également très précises de l’éclat apparent (magnitude apparente) des étoiles observées. Une nouvelle analyse des données du satellite utilisant les moyens de l’informatique moderne et une meilleure compréhension de la dynamique du satellite a même permis, en 2007, d’obtenir une précision astrométrique améliorée d’un facteur 2,2 pour les étoiles les plus brillantes du programme. Enfin, un autre catalogue a été élaboré à partir des mesures de position effectuées par les « repéreurs d’étoiles » d’Hipparcos (dispositifs ayant servi à repérer les étoiles à observer par le satellite). Une première version, Tycho, a été publiée en 1997, puis une seconde, Tycho-2, en 2000. Cette seconde analyse des mêmes données a permis d’obtenir les positions et les couleurs de plus de 2 millions d’étoiles, ainsi que, par comparaison avec d’anciens catalogues de positions, des mouvements propres deux à trois fois moins précis que ceux du catalogue Hipparcos, mais pour un nombre beaucoup plus élevé d’étoiles. Ces catalogues sont restés les seules références en ce domaine jusqu’à la publication, en septembre 2016, du premier catalogue de Gaia, seconde mission de l’ESA entièrement consacrée à l’astrométrie, décidée et réalisée à la suite du succès d’Hipparcos.

L’astrométrie : un outil majeur pour l’astrophysique

Avec Hipparcos, l’astrométrie est entrée dans une nouvelle ère : elle est devenue un outil majeur pour l’astrophysique. La précision de ces mesures de distances et de mouvements des étoiles du voisinage solaire a permis des avancées remarquables sur nombre de sujets : la physique stellaire et galactique (détermination des luminosités et des âges de très nombreuses étoiles, entraînant une meilleure compréhension de la physique de l’intérieur des étoiles et permettant de rendre enfin compatible l’âge des étoiles les plus anciennes du voisinage solaire avec l’âge estimé de l’Univers à partir de théories cosmologiques) ; l’échelle des distances ou les systèmes de référence ; les étoiles doubles ou variables ; la structure et la cinématique des amas d’étoiles (en particulier l’étude à trois dimensions de l’amas d’étoiles le plus proche du Soleil, les Hyades) ; l’étude de la rotation galactique et des mouvements des différentes populations d’étoiles de la Galaxie ; les masses et les orbites des astéroïdes ; etc.

Cette voie prometteuse a été poursuivie par les scientifiques européens et l’ESA avec la mission Gaia, lancée en décembre 2013.

—  Catherine TURON

Bibliographie

F. Mignard & C. Martin, « Hipparcos, satellite chasseur d’étoiles », in Pour la science, no 235, pp. 70-77, 1997

M. Perryman, « The history of astrometry », in The European Physical Journal H, vol. 37, no 5, pp.745-792, 2012

T. Prusti, « The promises of Gaia », in Astronomische Nachrichten, vol. 333, no 5-6,‎ pp. 453-459, 2012

C. Turon, « Le satellite Hipparcos I : une amélioration spectaculaire de notre connaissance du voisinage solaire », in Comptes rendus de l’Académie des sciences, vol. 326, pp. 775-786, 1998 ; « Le satellite Hipparcos II : une moisson de résultats astrophysiques », in Comptes rendus de l’Académie des Sciences, vol. 327, pp. 161-172, 1999

C. Turon & F. Arenou, « Troisième Dimension : de plus en plus loin dans notre Galaxie », in L'Astronomie, vol. 123, n2, pp. 10-15, 2009 ; « D’Hipparcos à Gaia », ibid., pp. 16-20 ; « Gaia. Deux ans à L2 », in L’Astronomie, vol. 130, no 93, pp. 28-35, 2016.

Sites Internet

http://wwwhip.obspm.fr/hipparcos/

https://www.cosmos.esa.int/web/hipparcos (en anglais)

http://gaia.obspm.fr/

http://gaia.obspm.fr/documentation/article/documents-grand-public

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Pour citer l’article

Catherine TURON, « HIPPARCOS, mission », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 17 septembre 2018. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/hipparcos-mission/