Écouter la mélodie des astres pour connaître leur distance

Pour le commun des mortels, les innombrables points lumineux visibles dans le ciel nocturne sont tous des étoiles. En réalité, certains sont des planètes voisines, d’autres des soleils lointains, voire des galaxies situées à des milliards d’années-lumière. Tout dépend de leur éloignement dans l'espace. C’est pourquoi, en astronomie, déterminer la distance exacte d’un objet céleste est crucial, et aussi l’un des plus grands défis de cette discipline.

Or, les scientifiques disposent maintenant d’un outil de pointe: la mission Gaia. Lancée par l’ESA il y a dix ans, ce télescope optique a ouvert une fenêtre inédite sur notre proche univers, en fournissant les données astrométriques de près de deux milliards d’étoiles, soit leur position, distance et mouvement.

Pour le groupe « Standard candles and distances » de l’EPFL, dédié à la mesure de l'expansion de l'Univers, Gaia est un instrument précieux. «Gaia a augmenté d’un facteur 10’000 le nombre d’étoiles dont les parallaxes sont mesurées grâce à une nette amélioration en termes de précision et de qualité des observations par rapport à son prédécesseur, la mission Hipparcos de l'ESA », décrit le professeur Richard Anderson, qui dirige le groupe. Les scientifiques utilisent notamment le calcul de la parallaxe fourni pour chaque étoile par le satellite. La parallaxe est une méthode de mesure des distances astronomiques, qui repose sur l’angle formé par une « triangulation » entre la position de Gaia dans l’espace, le Soleil et l’étoile à étudier. Plus l’étoile est éloignée, plus la mesure est difficile car la parallaxe devient de plus en plus petite lorsque la distance augmente.

Le calcul de la parallaxe permet de déterminer la distance d'une étoile. © ESA

Malgré le succès retentissant de Gaia, la mesure de la parallaxe est complexe, et il demeure de petits effets systématiques qui doivent être vérifiés et corrigés afin que les parallaxes du satellite puissent offrir leur plein potentiel. Des scientifiques de l’EPFL et de l’Université de Bologne, en Italie, ont mené ce travail sur plus de 12’000 étoiles géantes rouges*, soit l’échantillon le plus large et le plus précis à ce jour.

«Nous identifions ces biais en comparant les parallaxes calculées par Gaia avec celles des mêmes étoiles, que nous déterminons en utilisant l'astérosismologie», explique Saniya Khan, première auteure d’une étude sur ce sujet, parue aujourd'hui dans le journal Astronomy & Astrophysics.

Tremblements d’étoile

De même qu’il est possible d’étudier la structure interne de la Terre à l'aide des tremblements de terre, l’astérosismologie permet de connaître les propriétés physiques d’une étoile en observant ses vibrations et oscillations. Dans le cadre de cette discipline, les scientifiques mesurent les variations, même infimes, de l'intensité lumineuse d’un astre et les transforment en ondes sonores, donnant lieu à un spectre de fréquence.

«Ce spectre nous permet de déterminer la distance de l’étoile, décrit la chercheuse. Nous obtenons ainsi des parallaxes astérosismiques. Dans notre étude, nous avons écouté la musique de très nombreux astres, dont certains sont éloignés de 15'000 années-lumière!»

Vue d'artiste illustrant la propagation d'ondes sonores individuelles à l'intérieur d'étoiles comme le Soleil. Certaines se diffusent le long des couches superficielles, d'autres traversent le centre de l'astre. © ESA

Mais comment cela fonctionne-t-il? La vitesse avec laquelle les ondes sonores se propagent est influencée par la température et la densité de l’intérieur de l’étoile. « En analysant la fréquence de ces vibrations stellaires, les scientifiques peuvent déterminer avec précision la taille d'une étoile, tout comme on peut estimer celle d'un instrument de musique en fonction du son qu'il produit - pensez aux tonalités distinctes d'un violon et d'un violoncelle », illustre Andrea Miglio, professeur au Département de physique et astronomie de l’Université de Bologne et l'un des auteurs de l’étude.

Analyse sophistiquée

Une fois que la taille d'une étoile est connue, les astronomes peuvent déterminer sa luminosité, qui est comparée à la lumière perçue depuis la Terre. Les observations spectroscopiques en fournissent également la température et la composition chimique. En combinant le tout dans une analyse sophistiquée, ils déterminent la distance, puis comparent ces résultats aux parallaxes rapportées par Gaia pour tester leur exactitude.

Seule l’astérosismologie permet de vérifier la précision de la parallaxe de Gaia sur l'ensemble du ciel, tant sur des étoiles de faible que de forte intensité, ajoute Saniya Khan. Et selon elle, cette méthode a de l’avenir…

«Des missions spatiales en cours ou à venir, telles que TESS ou PLATO, dédiées au recensement ou la détection d’exoplanètes, utiliseront l'astérosismologie et fourniront les ensembles de données nécessaires dans des régions du ciel de plus en plus vastes, se réjouit-elle. Des techniques comme la nôtre joueront donc un rôle crucial dans l'amélioration des mesures de parallaxe de Gaia, ce qui nous aidera à préciser notre place dans l'Univers et profitera à une pléthore de sous-domaines de l'astrophysique».