Depuis son déploiement en mars 2009, la mission Kepler a détecté des milliers de planètes extra-solaires. En effet, entre 2009 et 2012, il a détecté un total de 4 496 candidats et confirmé l'existence de 2 337 exoplanètes. Même après l'échec de deux de ses roues de réaction, le vaisseau spatial a quand même réussi à faire apparaître des planètes éloignées dans le cadre de sa mission K2, représentant 521 autres candidats et confirmant 157.
Cependant, selon une nouvelle étude menée par une paire de recherches de l'Université Columbia et d'un citoyen scientifique, Kepler a peut-être également trouvé des preuves d'une lune extra-solaire. Après avoir passé au crible les données de centaines de transits détectés par la mission Kepler, les chercheurs ont trouvé un cas où une planète en transit montrait des signes de présence d'un satellite.
Leur étude - qui a récemment été publiée en ligne sous le titre «HEK VI: On the Dearth of Galilean Analogs in Kepler and the Exomoon Candidate Kepler-1625b I» - a été dirigée par Alex Teachey, étudiant diplômé de l'Université Columbia et chercheur diplômé avec la National Science Foundation (NSF). Il était accompagné de David Kipping, professeur adjoint d'astronomie à Columbia University et chercheur principal du projet The Hunt for Exomoons with Kepler (HEK), et Allan Schmitt, citoyen citoyen.
Pendant des années, le Dr Kipping a cherché dans la base de données Kepler des preuves d'exomoon, dans le cadre du HEK. Ce n'est pas surprenant, compte tenu des types d'opportunités que les exomoones présentent pour la recherche scientifique. Au sein de notre système solaire, l'étude des satellites naturels a révélé des choses importantes sur les mécanismes qui conduisent à la formation précoce et tardive des planètes, et les lunes possèdent des caractéristiques géologiques intéressantes que l'on trouve couramment sur d'autres corps.
C'est pour cette raison qu'il est nécessaire d'étendre cette recherche à la chasse aux exoplanètes. Déjà, des missions de recherche d'exoplanètes comme Kepler ont révélé une multitude de planètes qui remettent en question les idées conventionnelles sur la façon dont la formation des planètes et les types de planètes sont possibles. L'exemple le plus notable est celui des géantes gazeuses qui ont observé une orbite très proche de leurs étoiles (alias «Hot Jupiters»).
En tant que telle, l'étude des exomunes pourrait fournir des informations précieuses sur les types de satellites possibles, et si nos propres lunes sont typiques ou non. Comme Teachey l'a déclaré à Space Magazine par e-mail:
«Les exomoons pourraient nous en dire beaucoup sur la formation de notre système solaire et d'autres systèmes stellaires. Nous voyons des lunes dans notre système solaire, mais sont-elles communes ailleurs? Nous avons tendance à le penser, mais nous ne pouvons pas être sûrs jusqu'à ce que nous les voyions réellement. Mais c'est une question importante parce que, si nous découvrons qu'il n'y a pas beaucoup de lunes, cela suggère peut-être que quelque chose d'inhabituel se passait dans notre système solaire au début, et cela pourrait avoir des implications majeures sur la façon dont la vie est apparue Terre. En d'autres termes, l'histoire de notre système solaire est-elle commune à travers la galaxie, ou avons-nous une histoire d'origine très inhabituelle? Et qu'est-ce que cela dit sur les chances de vie qui se présentent ici? Les exomoones nous offrent des indices pour répondre à ces questions. »
De plus, de nombreuses lunes du système solaire - dont Europa, Ganymède, Encelade et Titan - sont considérées comme potentiellement habitables. Cela est dû au fait que ces corps ont des approvisionnements stables en substances volatiles (comme l'azote, l'eau, le dioxyde de carbone, l'ammoniac, l'hydrogène, le méthane et le dioxyde de soufre) et possèdent des mécanismes de chauffage internes qui pourraient fournir l'énergie nécessaire pour alimenter les processus biologiques.
Ici aussi, l'étude des exomoon présente des possibilités intéressantes, comme par exemple si elles peuvent être habitables ou même semblables à la Terre. Pour ces raisons et d'autres, les astronomes veulent voir si les planètes qui ont été confirmées dans des systèmes stellaires éloignés ont des systèmes de lunes et quelles conditions y sont. Mais comme Teachey l'a indiqué, la recherche d'exomons présente un certain nombre de défis par rapport à la chasse aux exoplanètes:
«Les lunes sont difficiles à trouver car 1) nous nous attendons à ce qu'elles soient assez petites la plupart du temps, ce qui signifie que le signal de transit sera assez faible au départ, et 2) à chaque fois qu'une planète transite, la lune apparaîtra dans un autre endroit. Cela les rend plus difficiles à détecter dans les données et la modélisation des événements de transit est beaucoup plus coûteuse en termes de calcul. Mais notre travail exploite les lunes apparaissant à différents endroits en prenant le signal moyen dans le temps à travers de nombreux événements de transit différents, et même à travers de nombreux systèmes exoplanétaires différents. Si les lunes sont là, elles tiendront en effet un signal de part et d'autre du transit planétaire au fil du temps. Il s'agit ensuite de modéliser ce signal et de comprendre ce qu'il signifie en termes de taille de la lune et de fréquence d'occurrence. »
Pour localiser les signes d'exomoon, Teachey et ses collègues ont fouillé la base de données Kepler et analysé les transits de 284 candidats exoplanètes devant leurs étoiles respectives. Ces planètes variaient en taille, du diamètre de la Terre au Jupiter, et tournaient autour de leurs étoiles à une distance comprise entre ~ 0,1 et 1,0 UA. Ils ont ensuite modélisé la courbe de lumière des étoiles en utilisant les techniques de pliage de phase et d'empilement.
Ces techniques sont couramment utilisées par les astronomes qui surveillent les étoiles pour détecter les creux de luminosité causés par les transits des planètes (c'est-à-dire la méthode de transit). Comme l'a expliqué Teachey, le processus est assez similaire:
«Fondamentalement, nous avons découpé les données de séries chronologiques en morceaux égaux, chaque morceau ayant un transit de la planète au milieu. Et lorsque nous empilons ces pièces ensemble, nous pouvons obtenir une image plus claire de ce à quoi ressemble le transit… Pour la recherche de la lune, nous faisons essentiellement la même chose, seulement maintenant nous regardons les données en dehors du principal transit planétaire. Une fois que nous avons empilé les données, nous prenons les valeurs moyennes de tous les points de données dans une certaine fenêtre temporelle et, si une lune est présente, nous devrions y voir une lumière stellaire manquante, ce qui nous permet de déduire sa présence. »
Ce qu'ils ont trouvé était un seul candidat situé dans le système Kepler-1625, une étoile jaune située à environ 4000 années-lumière de la Terre. Désignée Kepler-1625B I, cette lune orbite autour de la grande géante gazeuse située dans la zone habitable de l'étoile, mesure 5,9 à 11,67 fois la taille de la Terre et orbite autour de son étoile avec une période de 287,4 jours. Cette exomoon candidate, si elle se confirme, sera la première exomoon jamais découverte
Les résultats de l’équipe (qui attendent un examen par les pairs) ont également démontré que les grosses lunes étaient rares dans les régions internes des systèmes stellaires (à moins de 1 UA). Ce fut quelque chose d'une surprise, bien que Teachey reconnaisse que cela est cohérent avec les travaux théoriques récents. Selon ce que suggèrent certaines études récentes, les grandes planètes comme Jupiter pourraient perdre leurs lunes en migrant vers l'intérieur.
Si cela devait se révéler être le cas, alors ce que Teachey et ses collègues ont vu pourrait être considéré comme une preuve de ce processus. Cela pourrait également être une indication que nos missions actuelles de chasse aux exoplanètes pourraient ne pas être à la hauteur de la détection des exomunes. Dans les années à venir, les missions des prochaines générations devraient fournir des analyses plus détaillées des étoiles lointaines et de leurs systèmes planétaires.
Cependant, comme l'a indiqué Teachey, ceux-ci pourraient également être limités en termes de ce qu'ils peuvent détecter, et de nouvelles stratégies pourraient finalement être nécessaires:
«La rareté des lunes dans les régions intérieures de ces systèmes stellaires suggère que les lunes individuelles resteront difficiles à trouver dans les données Kepler, et les missions à venir comme TESS, qui devraient trouver beaucoup de planètes à très courte période, auront également du mal à trouver ces lunes. Il est probable que les lunes, que nous attendons toujours quelque part, résident dans les régions extérieures de ces systèmes stellaires, tout comme elles le font dans notre système solaire. Mais ces régions sont beaucoup plus difficiles à explorer, nous devrons donc être encore plus intelligents sur la façon dont nous recherchons ces mondes avec des ensembles de données actuels et à venir. »
Dans l'intervalle, nous pouvons certainement être excités par le fait que la première exomoon semble avoir été découverte. Alors que ces résultats attendent l'examen par les pairs, la confirmation de cette lune signifiera des opportunités de recherche supplémentaires pour le système Kepler-1625. Le fait que cette lune orbite dans la zone habitable de l'étoile est également une caractéristique intéressante, bien qu'il soit peu probable que la lune elle-même soit habitable.
Pourtant, la possibilité d'une lune habitable en orbite autour d'une géante gazeuse est certainement intéressante. Cela ressemble-t-il à quelque chose qui aurait pu apparaître dans certains films de science-fiction?
