Astéroïdes : les trois révolutions de Gaia

Vue d'artiste du satellite d’astrométrie Gaia. © ESA/D. Ducros
Discerner des montagnes sur les astéroïdes, protéger la Terre des géocroiseurs qui pourraient la percuter, mieux dater la surface des planètes, telles sont les avancées que vont permettre les données du satellite d’astrométrie européen.

Le 25 avril 2018, le deuxième catalogue de Gaia a donné un avant-goût de ce dont est capable le satellite d’astrométrie de l’ESA sur le Système solaire. Il fournit en effet la position de quelque 14000 astéroïdes. « Jusqu’ici, sur les 188000 millions de mesures collectées par le Minor Planet Center [organisme dédié à ces petits corps célestes, NDLR], seulement 2000 avaient une précision comparable à Gaia en ordre de grandeur. Ce chiffre est aujourd’hui multiplié par 1000 ! » s’enthousiasme Paolo Tanga, astronome à l’observatoire de la Côte d’Azur.

Illustration de gauche : les astéroïdes observés par la mission spatiale Gaia. Les géocroiseurs sont en bleu.
Ceux de la Ceinture d’astéroïdes sont en vert et en jaune. En rouge apparaissent les troyens, qui partagent l’orbite de Jupiter.
  À droite : les mêmes objets représentés selon leur réflectivité, les plus foncés étant en rouge.
© ESA/Gaia/DRAC

La précision de ces mesures peut atteindre 0,3 milliseconde d’arc. Cela équivaut, depuis Marseille, à connaître la position au millimètre près d’un objet situé à Lille ! « Pour la Ceinture d’astéroïdes, au-delà de Mars, cela correspond à une précision d’environ 1 km sur la position des objets, alors qu’elle était avant typiquement de l’ordre de 300 km », ajoute le chercheur.

1. Connaître les astéroïdes pour mieux dater Mars

Le gain en précision est tel qu’il va permettre d’étudier l’évolution dans le temps de l’orbite des astéroïdes, une information particulièrement précieuse pour les scientifiques. Ces variations sont dues notamment au fait que la face de l’astéroïde exposée au Soleil chauffe et que la radiation émise par le sol influe de façon infinitésimale sur la trajectoire et la rotation du petit astre au cours du temps. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Yarkovsky.

« Aujourd’hui, nous ne réalisons ce type de mesures que sur les astéroïdes les plus proches, comme les géocroiseurs. Grâce à Gaia, il va devenir possible de mesurer ces effets directement dans la Ceinture d’astéroïdes », souligne Paolo Tanga. C’est-à-dire sur des corps situés non pas à proximité de la Terre, mais entre Mars et Jupiter.

La mesure de l’effet Yarkovsky nous renseigne sur la densité des astéroïdes, une information essentielle pour comprendre leur composition. Mieux : « Elle nous permet aussi de déterminer à quelle époque ont eu lieu les collisions à l’origine de chaque famille d’astéroïdes présente dans la Ceinture. Nous obtiendrons ainsi une chronologie de formation pour les familles d’objets que nous connaissons », souligne l’astronome.

La vidéo ci-dessous montre les objets recensés par le satellite Gaia en mouvement :

La connaissance de ces collisions nous raconte ainsi l’histoire du Système solaire. En effet, pour dater une surface planétaire comme celle de Mars ou de Mercure par exemple, les astronomes comptent les cratères. Plus ils sont nombreux, plus la surface est ancienne. Pour donner une datation plus précise, encore faut-il savoir quel a été le rythme du bombardement au cours du temps. Actuellement, ces estimations reposent en grande partie sur des modèles et des simulations numériques. Gaia va aider à les vérifier et à les affiner par l’observation.

2. Découvrir des nouveaux astéroïdes menaçants

Le catalogue dévoilé le 25 avril 2018 comporte 14099 objets, mais ce n’est qu’un début. À terme, Gaia aura observé 350 000 cibles dans le Système solaire. Beaucoup d’entre elles sont connues, mais il y aura forcément des découvertes. « Nous avons déjà trouvé deux objets transneptuniens [qui orbitent au-delà de Neptune, NDLR]. Cela peut paraître peu, mais Gaia est limité à la magnitude 20,7 ; c’est un peu juste pour ces astres lointains. Nous avons fait des découvertes plus nombreuses dans la Ceinture d’astéroïdes, mais plutôt loin de l’écliptique [le plan de l’orbite de la Terre autour du Soleil, NDLR], là où les télescopes automatiques ne vont pas chercher », précise Paolo Tanga.

« Gaia est assez efficace sur les astéroïdes géocroiseurs, notamment ceux situés à l’intérieur de l’orbite de la Terre, car son télescope peut viser jusqu’à 45° du Soleil. C’est intéressant, car ce sont les corps les moins bien connus », détaille le chercheur. Le premier catalogue de Gaia comptait notamment Atira, le premier astéroïde découvert à orbiter à l’intérieur de l’orbite terrestre. C’est dans cette région que se trouvent les objets potentiellement les plus dangereux, car ils sont difficiles à découvrir. Il reste dans cette zone des astéroïdes de taille non négligeable capables de nous percuter un jour ou l’autre. Le petit astéroïde à l’origine de l’impact de Tcheliabinsk en 2013 était typiquement dans ce cas-là : il venait dans le ciel de la direction apparente du Soleil, il ne pouvait donc pas être vu avant la collision. Rappelons que son entrée atmosphérique a fait plus de 1000 blessés.

3. Voir des montagnes sur les astéroïdes

Autre domaine révolutionné par Gaia : l’observation d’occultations d’étoiles par des astéroïdes ou des satellites de planète (explication de la méthode). Leurs prévisions étaient jusqu’ici difficiles et aléatoires. Des incertitudes de l’ordre de 100 à 200 km pour la Ceinture d’astéroïdes et plus de 1000 km à la distance de Neptune étaient la norme. « Gaia nous fournit maintenant une précision de l’ordre du kilomètre dans la Ceinture d’astéroïdes. Pour des objets de 50 à 100 km, nous saurons ainsi quelle partie de l’objet nous allons observer, chose que l’on ne peut pas faire aujourd’hui. Au lieu de savoir plus ou moins de quelle région sur Terre l’occultation sera visible, nous serons en mesure de positionner précisément les observateurs par rapport à la zone de l’astre que nous souhaitons étudier », explique Paolo Tanga.

Le but ne sera donc plus de simplement mesurer la taille de l’objet, mais aussi, dans certains cas, de chercher à discerner le profil d’un cratère ou d’une montagne. Ou encore sur des corps lointains, comme Pluton ou le satellite de Neptune Triton, d’étudier l’atmosphère à une latitude précise de l’astre. Les données de Gaia ont déjà donné des résultats probants sur plusieurs occultations de Chariklo, un Centaure entouré d’un anneau. Ou sur Triton, dont l’atmosphère a été détectée par des dizaines d’amateurs en octobre 2017.

Sur la vidéo ci-dessous, on voit le flash central lié au fait que l’observatoire se situe exactement sur la ligne de centralité de l’occultation de Triton. Dans cette configuration, l’atmosphère de Triton agit comme une loupe concentrant la lumière de l’étoile occultée pendant un bref instant au milieu de l’occultation. Dans ce cas précis, l’éclat de l’étoile a triplé !

Ces données sont précieuses, car elles nous renseignent sur la pression à basse altitude sur Triton. Or, ce satellite de Neptune est connu pour avoir une activité cryovolcanique et des variations saisonnières capables d’influencer la pression en surface. Il est fascinant de se dire que ce type d’informations vont être accessibles depuis son jardin à un télescope de 20 ou 30 cm, et ce, d’autant mieux que Gaia permet des prévisions précises.

Le nombre d’occultations prévisibles va croître de façon spectaculaire à partir de maintenant. « À l’observatoire de la Côte d’Azur, nous sommes en train de construire un télescope automatisé de 50 cm pour les suivre. On pourra en voir des dizaines chaque nuit ! La communauté des amateurs va également être sollicitée », souligne Paolo Tanga.

Non seulement ces occultations vont donner des indications sur la forme et la taille des objets, mais chaque nouvelle observation va ajouter un point précis sur l’orbite de l’astéroïde concerné. Ces nombreuses données vont compléter celles de Gaia pour consolider les catalogues et mesurer les évolutions des orbites dans le temps.

L’observation du 17 juillet 2017 a révélé la forme très particulière de 2014 MU69. Elle doit absolument être affinée avant le survol de l’astéroïde par la sonde New Horizons début 2019.
©Nasa/Johns Hopkins Univ./Southwest Research Institute/James Tuttle Keane

Connaître la forme de ces petits astres est parfois primordial. C’est le cas pour 2014 MU69, l’objet transneptunien qui sera survolé par la sonde New Horizons le 1er janvier 2019. Une première occultation montre qu’il est double ou bien qu’il a la forme d’une cacahuète (image ci-dessus). Une nouvelle occasion de l’observer par occultation se présente le 5 août 2018, et le catalogue DR2 de Gaia va aider à bien placer les observateurs.

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