Au cours des dernières décennies, le nombre de planètes extra-solaires qui ont été détectées et confirmées a augmenté de façon exponentielle. À l'heure actuelle, l'existence de 3 778 exoplanètes a été confirmée dans 2 818 systèmes planétaires, et 2 737 candidats supplémentaires attendent d'être confirmés. 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 caractériser l'atmosphère des exoplanètes afin de pouvoir affirmer avec confiance qu'ils ont les bons ingrédients pour la vie (c'est-à-dire l'azote, le dioxyde de carbone, etc.). Malheureusement, cela est très difficile en utilisant les méthodes actuelles. Cependant, selon une nouvelle étude d'une équipe internationale d'astronomes, les instruments de prochaine génération qui reposent sur l'imagerie directe changeront la donne.
L'étude, «Imagerie directe en lumière réfléchie: caractérisation d'exoplanètes plus anciennes et tempérées avec des télescopes de 30 m», a récemment été publiée en ligne. L'étude a été dirigée par Michael Fitzgerald et Ben Mazin - un professeur agrégé d'astrophysique à l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) et la Chaire Worster en physique expérimentale à l'Université de Californie à Santa Barbara (UCSB), respectivement.
Ils ont été rejoints par des chercheurs de l'Institut de recherche sur les exoplanètes de l'Université de Montréal (iREX), du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, des Carnegie Observatories, du Steward Observatory, du National Astronomical Observatory of Japan, du Massachusetts Institute of Technology (MIT), de la Californie. Institut de technologie (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 - les plus largement utilisées étant la méthode de transit et les mesures de vitesse radiale - ont conduit à la découverte de milliers de planètes à courte période (planètes en orbite près de leur soleil avec une période d'environ 10 jours). Cependant, la sensibilité de ces méthodes commence à chuter sensiblement plus l'exoplanète est éloignée 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 y remédier, l'équipe suggère que la détection directe (aka. Imagerie directe) sera une méthode plus efficace pour caractériser l'atmosphère des exoplanètes. Comme l'explique le Dr Étienne Artigau, chercheur iREX et co-auteur de l'étude, à Space Magazine par e-mail
«Aucune planète détectée pour l'instant n'a été trouvée dans la« 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. »
À l'heure actuelle, l'imagerie directe est le seul moyen d'obtenir des spectres d'exoplanètes non transitoires, en particulier celles qui sont à des distances intermédiaires et larges de leurs soleils. Dans ce cas, les astronomes obtiennent des spectres de la lumière réfléchie par l'atmosphère de l'exoplanète pour déterminer sa composition. Jusqu'à présent, seules quelques exoplanètes ont été directement imagées, qui étaient toutes des super-Jupiters auto-lumineux qui ont orbité autour de 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 assez rare. En conséquence, les astronomes n'ont aucune information sur la diversité des atmosphères 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 se situent en moyenne autour de 15 ° C (58,7 ° F).
Cela est dû au fait que les télescopes existants n'ont tout simplement pas la sensibilité d'imager directement des planètes plus petites qui orbitent plus près des étoiles. Comme ils l'ont déterminé dans leur étude, caractériser l'atmosphère des planètes qui se trouvent à moins de 5 UA de leurs étoiles (où les levés de vitesse radiale ont révélé de nombreuses planètes) nécessiterait un télescope avec une ouverture de 30 mètres combinée à une optique adaptative avancée, une coronographie et suite 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 pourra le faire", a déclaré Artiqua. "Il n'est pas certain que l'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."
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 à Mauna Kea, à Hawaï. Et il y a l'instrument GMagAO-X sur le télescope géant de Magellan (GMT), qui est actuellement en construction à l'Observatoire de Las Campanas et devrait s'achever en 2025.
Comme l'a indiqué Artigau, les relevés effectués 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 (aka. Biosignatures), comme jamais auparavant:
«Cela nous permettra d'étudier directement la lumière provenant de planètes juste un peu plus grandes 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 nous ne trouvons pas de signature vitale, cela permettra de comprendre des classes entières de planète que nous voyons indirectement (transits, vitesse radiale) mais dont nous ne savons 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 mondiale du vent, 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 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.
"La détection de planètes" potentiellement habitables "est certainement le cas le plus excitant ici, mais il est important de garder à l'esprit que cela restera assez difficile même avec le télescope de 30 mètres", a déclaré Artigua. "Lorsque nous faisons une prédiction statistique, il ne devrait y avoir que quelques planètes terrestres (probablement moins de 10) qui seront accessibles et auront une température comparable à la nôtre."
Au sein de 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 dépouillé 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 des 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 la société Giant Magellan Telescope Organization (GMTO).
