Hipparcos

Pour que la position et la vitesse d'une étoile puissent être déterminées il faut connaitre :

• 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 sur le plan tangent du ciel par rapport au système solaire
• sa vitesse radiale c'est-à-dire son déplacement le long de la ligne de visée de l'observateur.

L'absence de référentiel absolu naturel rend ces mesures difficiles à réaliser. La mesure de la distance constitue un problème encore plus ardu: lorsque le programme Hipparcos est lancé, les astronomes disposent de moins de 300 étoiles avec une précision meilleure que 10% [1]. Cette distance est estimée en utilisant le mouvement de la Terre autour du Soleil : du fait de ce déplacement l'observateur qui relève à 6 mois d'intervalle la position d'une étoile peut détecter un léger décalage angulaire (voir schéma 1) : la parallaxe. Celle-ci est, pour une étoile située à 10,3 années-lumière, comme 61 du Cygne, est de 0,35 seconde d'arc. Ces angles infimes qui vont en s'amenuisant pour les étoiles plus lointaines, ont été utilisés jusque-là pour mesurer la distance de plusieurs milliers d'étoiles. Mais la précision de la mesure depuis la Terre atteint 10 % dans les cas les plus favorables qui ne concernent que quelques étoiles. Le mouvement propre est mesuré en relevant à intervalles réguliers la position de l'étoile dans le ciel. La vitesse radiale est déterminée en s'appuyant sur l'effet Doppler-Fizeau qui modifie le spectre lumineux de l'étoile en fonction de cette vitesse[2].

Schéma 1 : mesure de la parallaxe d'une étoile depuis l'orbite terrestre.

La connaissance de la position et du mouvement des étoiles est essentielle pour déterminer les propriétés physiques des étoiles. La connaissance de celle-ci permet en retour d'alimenter en éléments factuels les études théoriques qui portent d'une part sur la structure des étoiles et leur évolution d'autre part sur les structures des galaxies et leur dynamique.

Déplacement apparent d'une étoile relevé par Hipparcos : le tracé reflète le mouvement propre de l'étoile combiné au déplacement de la Terre qui décrit trois orbites autour du Soleil au cours de la mission.

Au cours de la seconde moitié du XX^e siècle l'augmentation de la précision dans la mesure de la position des étoiles se heurte à des problèmes croissants liés à l'atmosphère, aux limites atteintes par l'optique des télescopes et à l'impossibilité d'observer l'ensemble de la voute céleste depuis le même point d'observation. En 1967 l'astronome français Pierre Lacroute propose à l'agence spatiale française, le CNES, de développer un satellite pour réaliser un catalogue plus précis des étoiles que celui qui a pu être établi à l'aide de télescopes terrestres[3]. Au-dessus de l'atmosphère les conditions d'observation des étoiles sont meilleures. Le CNES accepte de développer le projet mais devant son coût décide de s'orienter vers un financement multinational. Après une étude de faisabilité réalisée en 1977 l'Agence spatiale européenne sollicitée accepte finalement en 1980 de financer la mission. Celle-ci est baptisée Hipparcos, acronyme de HIgh Precision PARallax COllecting Satellite c'est-à-dire en anglais satellite de mesure de parallaxe à haute précision, mais également nom de l'astronome grec Hipparque, qui compila un des premiers catalogues d'étoiles[4].

Le contrôle d'orientation est maintenu à l'aide de 4 moteurs-fusées de 5 newtons consommant de l'hydrazine stockée dans deux réservoirs d'une contenance totale de 32 kg. Le satellite est en rotation lente à la vitesse de 11,25 tours par jour : cette rotation est entretenue par 6 petits moteurs d'une poussée de 20 millinewtons consommant de l'azote tiré de deux réservoirs contenant 9,3 kg stockés sous une pression de 285 bars. L'énergie électrique est fournie par trois panneaux solaires de 1,19 × 1,69 m qui fournissent 380 watts dont 110 W sont utilisés par la charge utile. Deux batteries nickel-cadmium de 10 ampères-heures chacune fournissent l'énergie lorsque la sonde est plongée dans l'obscurité. Les télécommunications se font en bande S. L'émetteur de 2,5 watts permet de transmettre les données scientifiques vers la Terre avec un débit de 24 kilobits par seconde[5].

La charge utile est constituée d'un télescope de Schmidt d'un diamètre de 29 cm et doté d'une focale de 1,4 mètre. Cet instrument de taille relativement réduite est néanmoins suffisant pour permettre l'observation d'étoiles d'une magnitude apparente allant jusqu'à 12,4 soit une luminosité 400 fois inférieure à ce qui peut être perçu à l'œil nu depuis la Terre. Le télescope observe simultanément deux zones du ciel d'une surface de 0,9° × 0,9° situées à 58° l'une de l'autre. En effet, en l'absence de référentiel directement utilisable par l'instrument, celui-ci utilise l'écartement angulaire entre les étoiles ; l'ensemble des mesures uni-dimensionnelles combinées avec la connaissance de l'orientation du télescope au moment de l'observation permet de reconstituer la position des étoiles. Les deux images sont superposées sur un plan focal comportant un détecteur de 2,5 cm × 2,5 cm. Du fait de la rotation lente du satellite autour de son axe (un tour toutes les 128 minutes) l'image des étoiles traverse lentement le détecteur constitué d'une grille composée de 2 688 bandes alternativement transparentes et opaques. Derrière cette grille un détecteur de type photomultiplicateur analyse les variations de lumière toutes les 2 secondes. Ce système permit de mesurer la position de 118 000 étoiles avec une précision de 0,002 seconde d'arc. Un deuxième photomultiplicateur exploite un faisceau lumineux dérivé du faisceau principal pour déterminer et contrôler l'orientation du satellite et effectuer des mesures sur 1 million d'étoiles avec une précision plus faible de 0,03 seconde d'arc. L'axe de rotation du télescope est modifié tous les jours de 4,415° ce qui permet sur la durée de la mission d'observer à plusieurs reprises l'ensemble du ciel : en moyenne une étoile traverse le détecteur en 20 secondes et est observé à 110 reprises sur environ 30 époques différentes réparties au cours des 3 ans de la mission[5].

À l'issue de la mission les données recueillies représentant plus de 120 millions de mesures et 1000 gigabits de volumes sont exploitées. Pour faciliter le traitement, les positions de toutes les étoiles avaient été initialement déterminées grâce aux observations faites depuis le sol avec une précision d'une seconde d'arc (le Catalogue d'Entrée). La détermination de la position est ensuite obtenue en combinant ces données, l'orientation du satellite au moment de la mesure et les relevés effectués par le détecteur. Les calculs effectués nécessitent notamment de résoudre 4 millions d'équations à 600 000 inconnues[4]. Le catalogue Hipparcos (118 000 étoiles avec une précision d'une milliseconde d'arc) et le catalogue Tycho (plus d'un million d'étoiles avec une précision de 20–30 millisecondes d'arc) sont achevés en août 1996 et publiés par l'ESA en juin 1997. Les données de ces catalogues servirent à créer le Millennium Star Atlas (en), un atlas couvrant l'ensemble du ciel et comportant un million d'étoiles jusqu'à une magnitude apparente de 11 et complété par 10 000 objets non-stellaires provenant d'autres sources. Tycho 2, une nouvelle version du catalogue Tycho, est publiée en 2000. Ce catalogue repose sur les mêmes observations mais, grâce à une méthode de réduction de données plus avancée, les données y sont légèrement plus précises. Cette version est aussi beaucoup plus complète : 2 539 913 étoiles y sont présentes, ce qui représente 99 % des étoiles d'une magnitude inférieure ou égale à 11[5].

Hipparcos a également mesuré l'éclat des étoiles ; combinée avec la parallaxe, cette information permet de déterminer la magnitude absolue de l'étoile c'est-à-dire sa luminosité réelle abstraction faite de son éloignement. Cette information a notamment permis de calibrer l'échelle des distances avec les céphéides[6].

Deux[7] planètes extrasolaires (exoplanètes) confirmées — HD 189733 b et HD 209458 b[7] — ont été retrouvées, postérieurement à leur découverte, dans les données photométriques collectées par Hipparcos[8]. En effet, des transits de ces planètes étaient présents dans les données du satellites, mais pas identifiés à l'époque.

Un premier transit de HD 189733 b devant son étoile a été mesuré par Hipparcos le 26 février 1991[9]. Deux autres transits de l'exoplanète ont été probablement mesurés par Hiparcos le 17 octobre 1991 et le 20 février 1993[9].

Cinq[7] transits de HD 209458 b devant son étoile ont également été mesurés par Hipparcos[10] - [11], notamment le jour julien barycentrique (BJD) 2,448565171 ± 0,037[12]. Ces transits étaient passés inaperçus à l'époque. Ce n'est que postérieurement à la découverte de ces exoplanètes que leur pré-découverte a été retrouvée dans les données d'Hipparcos.

Les mesures effectuées par Hipparcos ont permis de[13] :

• prévoir la collision de la comète Shoemaker-Levy 9 avec la planète Jupiter
• identifier les étoiles qui dans le futur passeront à faible distance du Soleil
• mesurer la distance des étoiles possédant des planètes
• découvrir que la forme de la Voie lactée changeait
• identifier un groupe d'étoiles qui ont par le passé envahi la galaxie
• remettre en question la taille et l'âge de l'univers : celui-ci s'est révélé à la fois plus grand et plus jeune
• confirmer la théorie d'Einstein concernant les effets de la gravité sur la lumière des étoiles.

L'Agence spatiale européenne a décidé en 2000 de donner un successeur à Hipparcos[14]. Le satellite Gaia, dont le lancement a eu lieu en 2013, doit permettre d'établir un catalogue 50 fois plus précis que Hipparcos et pour un milliard d'étoiles. Le satellite est équipé d'un instrument astrométrique permettant de mesurer la position angulaire jusqu'à la magnitude 20, d'un instrument photométrique permettant l'acquisition de spectres d'étoiles dans la bande spectrale 320-1000 nm et d'un spectromètre haute résolution permettant de mesurer la vitesse radiale des étoiles. Le satellite a été placé au point de Lagrange L₂ pour une mission d'une durée nominale de 5 ans[15].

• (en) Michael Perryman, The Making of History's Greatest Star Map, Springer, 2010, 293 p. (ISBN 978-3-642-11602-5)
  Histoire du projet Hipparcos.
• Jean-Pierre Penot (CNES), « Hipparcos, le satellite des étoiles », Bibliothèque de Travail (BT), février 1993, n^o 1045, (ISSN 0005-335X)

• Astrométrie
• Parallaxe
• Le satellite Gaia successeur d'Hipparcos développé également par l'ESA.

• Article sur Hipparcos magazine Pour la science de mai 1997 (F Mignard et C Martin) [PDF]
• (en) La mission Hipparcos sur le site de l'Agence spatiale européenne
• (en) The Hipparcos Space Astrometry Mission sur cosmos.esa.int
• (en) Les catalogues Hipparcos et Tycho