Harmoniser le cosmos : comment les scientifiques mesurent les distances stellaires grâce à la musique des étoiles

Une équipe d’astronomes a utilisé l’astérosismologie, ou étude des oscillations stellaires, pour mesurer avec précision la distance entre les étoiles et la Terre. Leurs recherches ont examiné des milliers d’étoiles et vérifié les mesures prises lors de la mission Gaia pour étudier l’Univers proche.

Pour la plupart d’entre nous, les innombrables points lumineux du ciel nocturne semblent tous être des étoiles. Mais en fait, certains de ces points sont en réalité des planètes, ou des soleils lointains, voire des galaxies entières situées à des milliards d’années-lumière. Ce que vous regardez dépend de la distance qui vous sépare de la Terre. C’est pourquoi mesurer la distance exacte aux objets célestes est un objectif si important pour les astronomes – et l’un des plus grands défis qu’ils doivent relever actuellement.

Contributions à la mission Gaia

C’est dans cette optique que l’Agence spatiale européenne (ESA) a lancé il y a dix ans la mission Gaia. Les données collectées par le satellite Gaia ouvrent une fenêtre sur l’Univers proche, fournissant des mesures astronomiques – telles que la position, la distance à la Terre et le mouvement – ​​sur près de deux milliards d’étoiles.

À l’EPFL, le groupe de recherche Standard Candles and Distances dirigé par le professeur Richard Anderson vise à mesurer l’expansion actuelle de l’Univers et considère Gaia comme un outil précieux. « Gaia a multiplié par 10 000 le nombre d’étoiles dont les parallaxes sont mesurées grâce à un gain massif en précision par rapport à son prédécesseur, la mission Hipparcos de l’ESA », dit-il. Aujourd’hui, les scientifiques utilisent des parallaxes pour calculer la distance aux étoiles. Cette méthode consiste à mesurer les angles de parallaxe, avec l’aide du satellite, grâce à une forme de triangulation entre la localisation de Gaia dans l’espace, le Soleil et l’étoile en question. Plus une étoile est éloignée, plus la mesure est difficile car la parallaxe diminue à mesure que la distance est grande.

Affiner les mesures de parallaxe

Malgré le succès retentissant de Gaia, la mesure de la parallaxe est complexe, et il reste de petits effets systématiques qui doivent être vérifiés et corrigés pour que les parallaxes de Gaia atteignent leur plein potentiel. C’est ce sur quoi travaillent des scientifiques de l’EPFL et de l’Université de Bologne, en Italie, à travers des calculs effectués sur plus de 12 000 étoiles géantes rouges oscillantes* – le plus grand échantillon et les mesures les plus précises à ce jour.

« Nous avons mesuré les biais de Gaia en comparant les parallaxes rapportées par le satellite avec les parallaxes des mêmes étoiles que nous avons déterminées en utilisant l’astérosismologie », explique Saniya Khan, scientifique du groupe de recherche d’Anderson et auteur principal d’une étude publiée aujourd’hui dans Astronomie et astrophysique.

Astérosismologie et tremblements de terre stellaires

De la même manière que les géologues étudient la structure de la Terre à l’aide des tremblements de terre, les astronomes utilisent l’astérosismologie, et plus particulièrement les vibrations et oscillations des étoiles, pour glaner des informations sur leurs propriétés physiques. Les oscillations stellaires sont mesurées sous forme de minuscules variations d’intensité lumineuse et traduites en ondes sonores, donnant lieu à un spectre de fréquences de ces oscillations.

Analyser la « musique » stellaire

« Le spectre de fréquences nous permet de déterminer à quelle distance se trouve une étoile, ce qui nous permet d’obtenir des parallaxes astérosismiques », explique Khan. « Dans notre étude, nous avons écouté la « musique » d’un grand nombre d’étoiles, certaines situées à 15 000 années-lumière !

Pour transformer les sons en mesures de distance, l’équipe de recherche est partie d’un fait simple. La vitesse à laquelle les ondes sonores se propagent dans l’espace dépend de la température et de la densité de l’intérieur de l’étoile. « En analysant le spectre de fréquences des oscillations stellaires, nous pouvons estimer la taille d’une étoile, tout comme on peut identifier la taille d’un instrument de musique par le type de son qu’il produit – pensez à la différence de hauteur entre un violon et un violoncelle. », déclare Andrea Miglio, professeur titulaire au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Bologne et troisième auteur de l’étude.

Améliorer les mesures astronomiques

Après avoir ainsi calculé la taille d’une étoile, les astronomes ont ensuite déterminé sa luminosité et comparé ce chiffre à la luminosité perçue ici sur Terre. Ils ont couplé ces informations avec des lectures de température et de composition chimique obtenues par spectroscopie et ont analysé ces données via des analyses sophistiquées pour calculer la distance à l’étoile. Enfin, les astronomes ont comparé les parallaxes obtenues lors de ce processus avec celles rapportées par Gaia afin de vérifier l’exactitude des mesures du satellite.

« L’astérosismologie est le seul moyen de vérifier la précision de la parallaxe de Gaia sur l’ensemble du ciel, c’est-à-dire pour les étoiles de faible et de haute intensité », explique Anderson. Et l’avenir de ce domaine est prometteur, comme le souligne Khan :

« Les missions spatiales à venir comme TESS et PLATO, destiné à détecter et étudier les exoplanètes, utilisera l’astérosismologie et fournira les ensembles de données requis dans des régions du ciel de plus en plus vastes. Des méthodes similaires aux nôtres joueront donc un rôle crucial dans l’amélioration des mesures de parallaxe de Gaia, ce qui nous aidera à identifier notre place dans l’Univers et bénéficiera à une multitude de sous-domaines de l’astronomie et de l’astrophysique.