Comment la prochaine génération de super-télescopes au sol observera directement les exoplanètes
Au cours des dernières décennies, le nombre de planètes extra-solaires détectées et confirmées a augmenté de façon exponentielle. À présent , l'existence de 3 778 exoplanètes a été confirmée dans 2 818 systèmes planétaires, avec 2 737 candidats supplémentaires en attente de confirmation. Avec ce volume de planètes disponibles pour l'étude, l'objectif de la recherche sur les exoplanètes a commencé à passer de la détection à la caractérisation.
Par exemple, les scientifiques s'intéressent de plus en plus à la caractérisation de l'atmosphère des exoplanètes afin de pouvoir dire avec certitude qu'elles possèdent les bons ingrédients pour la vie (c'est-à-dire l'azote, le dioxyde de carbone, etc.). Malheureusement, cela est très difficile avec les méthodes actuelles. Cependant, selon un nouvelle étude par une équipe internationale d'astronomes, les instruments de nouvelle génération qui reposent sur l'imagerie directe changeront la donne.
L'étude, ' Imagerie directe en lumière réfléchie : caractérisation des exoplanètes tempérées plus anciennes avec des télescopes de 30 m », est récemment apparu en ligne. L'étude a été dirigée par Michael Fitzgerald et Ben Mazin, respectivement professeur agrégé d'astrophysique à l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) et titulaire de la chaire Worster en physique expérimentale de l'Université de Californie à Santa Barbara (UCSB).
L'exoplanète Beta Pictoris b, qui a été observée par détection directe. Crédit : ESO
Ils ont été rejoints par des chercheurs de l'Université de Montréal Institut de recherche sur les exoplanètes (iREX), le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, le Observatoires Carnegie , les Observatoire des délégués syndicaux , les Observatoire astronomique national du Japon , les Massachusetts Institute of Technology (MIT), le Institut de technologie de Californie (Caltech) et plusieurs universités.
Comme ils l'indiquent dans leur étude, nos capacités à caractériser les exoplanètes sont actuellement limitées. Par exemple, nos méthodes actuelles – la plus répandue étant la Méthode de transit et Vitesse radiale mesures – ont conduit à la découverte de milliers de planètes à courte période (planètes qui orbitent près de leur soleil avec une période d'environ 10 jours). Cependant, la sensibilité de ces méthodes commence à baisser considérablement à mesure que l'exoplanète s'éloigne de son soleil.
De plus, les planètes à longue période sont également largement inaccessibles en ce qui concerne leurs spectres. Ce type d'analyse consiste à mesurer la lumière qui traverse l'atmosphère d'une planète lorsqu'elle transite depuis son étoile. En mesurant ses spectres pour déterminer sa composition, les scientifiques peuvent caractériser l'atmosphère de l'exoplanète et déterminer si une planète pourrait en fait être habitable.
Pour résoudre ce problème, l'équipe suggère que la détection directe (alias imagerie directe) sera une méthode plus efficace pour caractériser les atmosphères des exoplanètes. Comme le Dr Étienne Artigau, chercheur iREX et co-auteur de l'étude, l'a expliqué à Universe Today par courriel (traduit du français)
'Aucune planète détectée pour l'instant n'a été retrouvée en 'lumière réfléchie'. Lorsque nous voyons les planètes de notre système solaire, c'est parce qu'elles sont illuminées par le Soleil que nous pouvons les voir. De la même manière, les planètes des autres étoiles réfléchissent la lumière et il doit être possible de détecter cette lumière avec un télescope suffisamment puissant. Le rapport de flux entre les planètes et leur étoile est énorme, de l'ordre de 1 milliard, par rapport aux planètes détectées par leur émission thermique, ou ce rapport est plutôt de l'ordre de 1 million.
Illustration d'un artiste du télescope de trente mètres à son emplacement préféré au Mauna Kea, à Hawaï. Crédit : Observatoire international TMT
À l'heure actuelle, l'imagerie directe est le seul moyen d'obtenir des spectres d'exoplanètes non en transit, en particulier celles qui se trouvent à des distances intermédiaires et larges de leur soleil. Dans ce cas, les astronomes obtiennent des spectres à partir de la lumière réfléchie par l'atmosphère de l'exoplanète pour déterminer sa composition. Jusqu'à présent, seule une poignée d'exoplanètes ont été directement imagées, toutes étant des super-Jupiters auto-lumineux qui ont orbité leurs étoiles hôtes à une distance de centaines ou de milliers d'UA.
Ces planètes étaient très jeunes et avaient des températures supérieures à 500 °C (932 °F), ce qui en fait une classe de planètes plutôt rare. En conséquence, les astronomes n'ont aucune information sur la diversité des atmosphères des exoplanètes, en particulier lorsqu'il s'agit de planètes rocheuses plus petites qui ont des températures plus proches de celles de la Terre – où les températures de surface sont en moyenne d'environ 15 °C (58,7 °F).
Cela est dû au fait que les télescopes existants n'ont tout simplement pas la sensibilité pour imager directement des planètes plus petites qui orbitent plus près des étoiles. Comme ils l'ont déterminé dans leur étude, caractériser les atmosphères des planètes situées à moins de 5 UA de leurs étoiles (où les relevés de vitesse radiale ont révélé de nombreuses planètes) nécessiterait un télescope d'une ouverture de 30 mètres combiné à une optique adaptative avancée, un coronographe et ensemble de spectromètres et imageurs.
'En bref, aucun télescope actuel ne peut détecter ces planètes, même autour des étoiles les plus proches de nous, mais il y a tout lieu de croire que la prochaine génération de télescopes d'un diamètre de 30 m et plus sera capable de le faire', a déclaré Artique. 'Il n'est pas certain qu'on puisse détecter, dans un premier temps, des planètes comme la Terre, mais au moins on devrait pouvoir détecter des planètes comparables à Uranus et Neptune, ce qui serait déjà un superbe résultat.'
Une illustration d'artiste du GMT au Chili. Le miroir à sept segments est le cœur du télescope. Crédit : Télescope géant Magellan – GMTO Corporation
Ces installations de nouvelle génération et instruments d'optique adaptative comprennent l'imageur de systèmes planétaires (PSI) sur le Télescope de trente mètres (TMT), dont la construction est proposée sur le Mauna Kea, à Hawaï. Et il y a le GMagAO-X instrument sur le Télescope géant Magellan (GMT), qui est actuellement en construction au Observatoire de Las Campanas et devrait être achevé en 2025.
Comme l'a indiqué Artigau, les enquêtes menées avec ces instruments de nouvelle génération permettront aux astronomes de détecter et de caractériser un plus large éventail de planètes, ainsi que de rechercher d'éventuels signes de vie (alias biosignatures), comme jamais auparavant :
« Cela nous permettra d'étudier directement la lumière provenant de planètes un peu plus grosses que la Terre (et peut-être comme la Terre si nous sommes optimistes). C'est l'une de nos meilleures chances de rechercher des signatures de vie dans ces atmosphères. Même si on ne trouve pas de signature de vie, elle permettra de comprendre des classes entières de planète que l'on voit indirectement (transits, vitesse radiale) mais dont on ne sait rien… L'importance de l'imagerie directe est qu'elle permet de sonder directement l'atmosphère et même la surface de ces planètes. L'ajout d'un spectrographe haute résolution donne également une idée des vents et de la circulation éolienne mondiale, ainsi que de sonder la présence de différentes molécules.
Bien sûr, il y aura toujours des limites à ce que les scientifiques peuvent apprendre en utilisant la méthode d'imagerie directe, même avec ces instruments et télescopes de nouvelle génération à leur disposition. Mais les possibilités et les implications pour la recherche sur les exoplanètes sont tout simplement immenses. Pour commencer, les astronomes pourraient avoir une meilleure idée de la démographie des planètes rocheuses plus petites qui orbitent dans les zones habitables respectives de leurs étoiles.
Concept d'artiste d'exoplanètes semblables à la Terre, qui (selon de nouvelles recherches) pourraient se vanter d'avoir beaucoup d'eau. Crédit : NASA
'La détection de planètes' potentiellement habitables 'est sûrement le cas le plus excitant ici, mais il est important de garder à l'esprit que cela va rester assez difficile même avec le télescope de 30 m', a déclaré Artigua. 'Lorsque nous faisons une prédiction statistique, il ne devrait y avoir que quelques planètes telluriques (probablement moins de 10) qui seront accessibles et auront une température comparable à la nôtre.'
Dans cette gamme de planètes, Artigau et ses collègues peuvent imaginer un certain nombre de scénarios intéressants. Par exemple, certains peuvent ressembler à Vénus, où des atmosphères denses et une orbite relativement proche entraînent un effet de serre incontrôlable. D'autres peuvent être comme Mars, où le vent solaire ou les éruptions ont détruit l'atmosphère des planètes. Au-delà de cela, il peut y avoir des planètes terrestres que nous ne pouvons même pas commencer à imaginer.
'En bref, les planètes habitables pourraient très bien avoir plus d'imagination que nous', a conclu le Dr Artiqau. 'Cette diversité d'exoplanètes implique également que nous devons être prudents lorsque nous prédisons qu'elle sera habitable.'
'[Le] résultat est que nous pouvons faire des choses incroyables dans l'étude des exoplanètes depuis le sol avec des télescopes de 30 m, mais des investissements importants dans la technologie sont nécessaires pour se préparer à construire ces instruments pour les télescopes de 30 m', a ajouté Mazin.
L'étude a été rendue possible grâce à l'aide supplémentaire fournie par le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et le Organisation du télescope géant de Magellan (GMTO) Corporation.
Lectures complémentaires : arXiv