Amas des Pléiades : une énigme peut en cacher une autre

Les étoiles les plus brillantes de M45 seraient à l’avant-plan de l’amas. © G. Abramson
Depuis les années 1990, la distance de l’amas des Pléiades fait débat, car les données du satellite Hipparcos contredisent toutes les autres mesures. Son successeur Gaia met un point final à la controverse, mais soulève par la même occasion une nouvelle énigme : les étoiles visibles à l’œil nu de M45 semblent beaucoup trop proches.

Épisode 1 : Comment Hipparcos a semé le doute

L’amas ouvert des Pléiades, M45, est un joyau du ciel boréal, bien visible sous la forme d’un groupe compact de sept à huit étoiles bleutées. Il referme en réalité des centaines d’autres étoiles perceptibles au télescope. L’objet est si célèbre et semble si proche que l’on a du mal à imaginer les difficultés rencontrées pour connaître son éloignement.

Pour estimer la distance d’un amas stellaire, les astronomes utilisent des méthodes directes ou indirectes. Par exemple, ils déterminent l’âge et la masse des étoiles en spectroscopie, pour en déduire leur luminosité absolue, et ainsi leur distance.

Mais la technique la plus précise sur les astres proches est celle de la parallaxe. Il s’agit de mesurer, à six mois d’intervalle, le changement de position d’une étoile par rapport à celles situées à l’arrière-plan — un mouvement apparent dû au déplacement de la Terre sur son orbite autour du Soleil. « Cette méthode a été utilisée pour la première fois en 1838 par Friedrich Bressel sur l’étoile 61 du Cygne, située à 10 années-lumière de nous », rappelle Guillermo Abramson, physicien au Centre atomique de Bariloche, en Argentine.

Le problème, dans le cas des Pléiades, est que l’amas se situe plusieurs dizaines de fois plus loin. Il fallait donc des moyens de mesure des dizaines de fois plus performants que ceux du XIXe siècle. Ce n’est que dans les années 1990 que le satellite Hipparcos a été capable d’atteindre cette précision et le résultat de ses observations a été publié en 1993.

Pour M45, Hipparcos a trouvé une distance de 375 années-lumière, sensiblement inférieure que celle obtenue par d’autres méthodes, situant l’objet à 424 années-lumière en moyenne. « Un tel écart était très embarrassant car, par ailleurs, l’amas des Pléiades constitue du fait de sa proximité un excellent laboratoire pour tester des modèles de physique », souligne Guillermo Abramson. En fait, les Pléiades servent de jalon pour calibrer les méthodes de mesure de distance indirectes (mais utilisables à grande distance sur d’autres objets). Il est donc essentiel de connaître sa position exacte.

Le bel amas des Pléiades est bien connu des observateurs du ciel boréal. Problème : le satellite Hipparcos le situe à une distance différente de celle obtenue
par toutes les autres méthodes. Et son successeur Gaia a révélé une curieuse particularité de ses étoiles les plus brillantes (citées ci-dessus). © N. Outters/C&E

Épisode 2 : Hubble, le VLBI et Gaia à la rescousse de la physique

À l’annonce du résultat d’Hipparcos en 1993, il n’était pas possible de dire si l’erreur venait du satellite ou des théories physiques en vigueur. « En fait, nous ne sommes toujours pas certains aujourd’hui de savoir ce qui s’est passé avec Hipparcos », note Guillermo Abramson. Dans l’ensemble, cette mission d’astrométrie a été un succès, et elle a permis l’avènement de son successeur Gaia, actuellement en cours. Néanmoins, le cas particulier des Pléiades est resté pendant longtemps un caillou dans la chaussure des astronomes.

« L’hypothèse la mieux admise est que l’erreur d’Hipparcos serait due à un trop grand déséquilibre entre le nombre d’étoiles dans ce petit champ céleste et les zones de référence observées en même temps. Il aurait donné lieu à des erreurs systématiques plus importantes dans cette région du ciel », avance Carine Babusiaux, astronome à l’IPAG à Grenoble, impliquée dans le programme Gaia.

Depuis, plusieurs autres méthodes ont été utilisées pour déterminer si Hipparcos se trompait. Ses mesures ont d’abord été réexaminées avec soin. La distance des Pléiades a été revue à la hausse, mais de quelques années-lumière seulement. Le compte n’y était toujours pas. « En 2005, une mesure sur trois étoiles de l’amas avec le télescope spatial Hubble a donné une distance de 435 années-lumière. En 2014, un résultat à 444 années-lumière a été fourni par une autre observation très précise, réalisée en combinant plusieurs radiotélescopes répartis sur la Terre (VLBI) », raconte Guillermo Abramson.

Ce graphique résume les mesures de distance effectuées sur les Pléiades
par cinq méthodes différentes. Les barres d’erreur sont compatibles entre elles,
sauf pour les données d’Hipparcos, en bleu. © G. Abramson

Gaia était très attendu pour confirmer les résultats de Hubble et du VLBI. Carine Babusiaux et ses collègues ont notamment utilisé sa deuxième fournée de mesures, le catalogue DR2, pour évaluer la distance des Pléiades à partir de 1059 étoiles. « Nous avons obtenu 443 années-lumière », indique la chercheuse. Guillermo Abramson s’est livré à une analyse indépendante des mêmes données, en se basant sur la distance de plus de 1500 étoiles de l’amas. Il trouve un résultat très similaire : 445,8 années-lumière. « Les Pléiades sont donc là où elles doivent être, et les lois de la physique sont bel et bien respectées », rassure Guillermo Abramson.

Épisode 3 : la résolution de l’énigme pose une nouvelle énigme

Mais en analysant les données de Gaia, Guillermo Abramson a eu deux grosses surprises. Il a découvert que le groupe d’étoiles est étiré dans notre direction. Bien plus étonnant : les étoiles les plus brillantes des Pléiades, c’est-à-dire les sept visibles à l’œil nu, sont toutes situées à l’avant-plan du reste de l’amas !

Les données de Gaia ont permis cette visualisation des Pléiades en trois dimensions. L’allongement de l’amas
et la présence à l’avant-plan des étoiles visibles à l’œil nu sont nettement perceptibles. La Terre se situe vers le bas par rapport à cette figure
et la taille de chaque étoile correspond à sa luminosité apparente. © G. Abramson

« C’est un peu mystérieux pour moi. D’un côté, les Pléiades sont situées dans la direction opposée à celle du centre de la Voie lactée ; l’allongement que l’on observe est donc probablement attribuable aux effets de marées au sein de la Galaxie. Mais d’un autre côté, le fait que les étoiles visibles à l’œil nu soient toutes dans notre direction laisse penser qu’il y a une erreur systématique de Gaia sur les astres les plus brillants », détaille Guillermo Abramson.

Il est probable que ces deux effets se superposent. « Il est bien établi par des simulations et des observations que les amas ouverts prennent une forme ellipsoïdale étirée vers le centre de la Voie lactée », note Caroline Soubiran, astrophysicienne à l’université de Bordeaux. Cependant, dans l’évolution d’un amas d’étoiles, les étoiles les plus lumineuses (les plus massives donc) tendent à migrer vers le centre de l’amas…

Dès lors se pose la question de la précision de mesure sur ces étoiles très brillantes. Écartons le cas d’Alcyone, si lumineuse qu’elle sature les détecteurs de Gaia. Du coup, la mesure de sa distance est entachée d’une énorme barre d’erreur ; elle peut se situer n’importe où, entre 364 et 465 années-lumière.

Les choses se corsent pour Atlas, Électre, Maïa, Mérope, Pléioné, et Taygète, qui ne saturent pas le détecteur. Gaia les place dans tous les cas à l’avant-plan, comme le montre le diagramme ci-dessous. Au mieux, deux des étoiles brillantes sont situées à une distance comparable à celle du reste de l’amas : Alcyone et Pléioné.

Répartition des étoiles en fonction de la parallaxe. Plus celle-ci est élevée, plus l’étoile est proche. © G. Abramson

« Je ne sais pas trop quoi penser de cette observation intrigante. Néanmoins, la mesure de position des étoiles brillantes n’est pas aussi fiable dans le catalogue Gaia que pour les astres les plus faibles. Il a été notamment démontré que l’incertitude sur la parallaxe des étoiles brillantes avait été sous-estimée », commente Caroline Soubiran.

Certes, mais même en réévaluant les barres d’erreur à la hausse, Atlas, Taygète, Électre, Mérope et Maïa restent bien trop proches de nous. Dès lors, Gaia est-il victime d’erreurs systématiques dans certaines conditions particulières ?

Pourtant, il faut souligner que Gaia a démontré sa redoutable précision dans plusieurs domaines, comme celui de la prédiction d’occultation d’étoiles par des astéroïdes par exemple. Si problème il y a, il se poserait donc dans des cas très rares. Les étoiles brillantes sont portion congrue sur l’échantillon de 1,7 milliard de sources contenues dans le catalogue DR2 publié en avril 2018. Il existe moins de 200 étoiles en dessous de la magnitude 3, limite de saturation des capteurs de Gaia.

Quoi qu’il en soit, pour les équipes du satellite, la prudence est de mise, car Gaia poursuit ses observations dans le but justement d’augmenter la fiabilité de ses mesures. « Il me semble trop tôt pour affirmer que ces étoiles sont toutes à l’avant-plan. Il faudra attendre l’amélioration des calibrations avec les catalogues DR3 et DR4 pour revenir sur cette question », prévient Carine Babusiaux.

Le catalogue DR3 est annoncé pour 2020. Par ailleurs, il est prévu qu’en fin de mission, Gaia sonde le ciel avec des temps de pose plus courts pour éviter de saturer les astres les plus brillants. L’énigme des Pléiades va donc perdurer au minimum pour quelques années.

Les Pléiades visualiées en 3 dimensions. © G. Abramson

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