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UN CHASSEUR D’EXO PLANETES

TESS, un nouveau satellite pour découvrir des exo planètes

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La Nasa vient de sélectionner le télescope spatial Tess pour une mission de recherche d’exoplanètes. Il aura la particularité de réaliser à la fois la spectroscopie des transits et des images de ces planètes. Cette mission s’inscrit dans la continuité de celle de Kepler et prépare le terrain pour le télescope spatial James Webb, le successeur d'Hubble dont le lancement est prévu en 2018.

Avec Tess, la Nasa souhaite découvrir une multitude de planètes habitables, voire habitées, autour d'étoiles proches de nous. © Institut de technologie du Massachusetts (MIT)

Depuis la découverte des premières planètes extrasolaires autour de l’étoile HD 114762 b (en 1989), du pulsar PSR 1257+12 (en 1992), et de l’étoile 51 Pegasi (en 1995), les moyens de détection se sont améliorés. Si jusqu’au début des années 2000 les astronomes étaient seulement capables de découvrir des planètes géantes gazeuses bien plus grandes que Jupiter et assez éloignées de leur étoile, la situation a bien changé. Aujourd’hui, ces mêmes astronomes peuvent repérer des planètes rocheuses de la taille de la Terre, dans la zone d’habitabilité de leur étoile.

Avec l’arrivée prochaine d’une nouvelle génération de télescopes terrestres de plusieurs dizaines de mètres, et de télescopes spatiaux, dont James Webb, les observations seront plus efficaces qu’aujourd’hui. Il sera possible d'imager la banlieue des étoiles, et également de bien mieux étudié l'astre lui-même.

Dans ce contexte, la Nasa a sélectionné le projet Tess (Transiting Exoplanet Survey Satellite, pour satellite d'étude des exoplanètes par transit) proposé par l’Institut de technologie du Massachusetts (MIT). Il s’agit d’un télescope spatial à plusieurs caméras destiné à rechercher des planètes habitables, autour d’étoiles proches du Soleil et d’étoiles au moins aussi lumineuses que lui. Il pourra même tenter d’en découvrir autour des étoiles les plus lumineuses du ciel.

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Le principe du transit planétaire s'accompagnant d'une baisse de luminosité (brightness, en ordonnée) de l'étoile (en jaune), d'autant plus importante que l'exoplanète (en noir) est de grande taille par rapport à son soleil et qu'elle en est proche. © Institut d’astronomie de l’université d’Hawaï

Le télescope Tess trouvera-t-il des planètes habitables et proches ?

Pour découvrir des planètes, le satellite Tess utilisera la méthode dite du transit planétaire. Lorsqu'une planète passe devant son étoile, la luminosité apparente de l'étoile baisse légèrement, car une petite fraction de sa surface est cachée temporairement. L’analyse de la courbe de luminosité permet alors d’obtenir des renseignements sur les planètes, telles que la masse et la densité. Capable d'analyser la masse, la taille, la densité, l'orbite et l'atmosphère d'une multitude de petites planètes, le satellite Tess fera avancer l'étude des petites petites exoplanètes, et devrait accélérer les chances d’en découvrir certaines habitables (voire habitées). C’est du moins le pari des responsables scientifiques de la mission.

Comme l’explique Jean Schneider, chercheur au laboratoire Univers et théories de l'Observatoire de Paris, « parmi ces planètes extrasolaires, celles qui seront sur des orbites suffisamment grandes (d’un rayon d’au moins 0,5 unité astronomique) pourront être détectées par imagerie directe ». En effet, les astronomes auront avec Tess la formidable possibilité de « faire à la fois de la spectroscopie des transits et des images de ces planètes ». Et ce d'autant plus facilement qu’étant relativement proches de nous, étoiles et planètes seront plus brillantes que celles observées par les télescopes spatiaux Corot (Cnes) et Kepler (Nasa).

La spectroscopie des transits et l'imagerie directe d'une planète permettent de « sonder des couches différentes de son atmosphère, ce qui est très précieux pour la compréhension des phénomènes qui s’y déroulent ». Les télescopes spatiaux Corot et Kepler n'ont pas cette capacité, car ils ne peuvent détecter des transits planétaires que pour des étoiles à des centaines d'années-lumière.

Un catalogue d’exo planètes pour le successeur d'Hubble

Le satellite Tess commencera ses observations en 2017, un an avant le lancement du télescope spatial James Webb. Au moment de la mise en service de ce successeur d’Hubble, cela permettra aux scientifiques de disposer d’un catalogue d’exo planètes le plus à jour possible, et des cibles les plus favorables pour des enquêtes approfondies à réaliser depuis le sol ou l’espace.

Ce satellite sera construit par Orbital Sciences autour de la plateforme LEOStar-2, et aura une durée de vie initiale de deux ans (mais elle pourrait atteindre plusieurs années). Il tournera autour de la Terre sur une orbite elliptique qui l’amènera ni trop près ni trop loin de la Terre et de la Lune. Elle lui permettra de rester au-dessus, donc à l'abri, des dangereuses ceintures de radiations et de s’approcher suffisamment près de la Terre, toutes les deux semaines, pour envoyer ses données. Cette orbite est d’une très grande stabilité, les corrections de trajectoire seront donc très rares.

À noter que l’Agence spatiale européenne (Esa) a un projet voisin, Plato, dont l’avantage est de pouvoir « détecter des planètes plus petites que celles de Tess et sur des orbites encore plus grandes. » Cela facilitera encore davantage l'imagerie de ces planètes. En revanche, contrairement à Tess qui explorera tout le ciel, Plato n'en couvrirait environ qu’un dixième.

Exo terres : les plus proches seraient à moins de 22 années-lumière

En utilisant les observations de Kepler, le chasseur d’exoplanètes, deux astrophysiciens américains ont tenté d’évaluer la distance la plus probable à laquelle se trouverait une exo terre habitable. Les naines rouges étant les étoiles les plus nombreuses de la Voie lactée, une jumelle de la Terre se trouverait probablement en orbite autour de l’une d’elles, à environ 13 années-lumière de la Terre.

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En image, une vue d'artiste d'une exo planète avec une lune en orbite autour d'une naine rouge. Les jeunes naines rouges sont souvent colériques, ce qui rend un peu problématique l'estimation des chances de développement d'une vie complexe sur une exo terre en orbite autour d'une telle étoile. © David A. Aguilar, CfA

La découverte d’une mystérieuse météorite verte présentée comme un morceau de roche de la planète Mercure, évoque inévitablement pour les fans de Superman la fameuse kryptonite censée venir de la planète Krypton. Ce n’est qu’un rapprochement amusant et dénué de fondement scientifique, bien sûr, mais l’article que viennent de mettre en ligne Courtney Dressing et David Charbonneau du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) semble montrer que la réalité est en train de rejoindre quelque peu la fiction.

Des soleils rouges comme dans Superman

On sait en effet que dans la célèbre bande dessinée, le personnage de Superman est censé provenir d’une ancienne civilisation née sur une planète plus massive que la Terre, en orbite autour d’un soleil rouge. Or, il y a quelque temps déjà, la chasse aux exoplanètes avait conduit à la conclusion qu’il y avait des milliards de super terres dans la zone d’habitabilité autour de naines rouges, dans la Voie lactée.

En utilisant le catalogue des 158.000 étoiles observées par Kepler pour y découvrir des transits planétaires d’exoplanètes, les deux chercheurs ont tenté d’affiner les estimations concernant la fréquence des exo terres habitables dans notre Galaxie, et donc la distance la plus probable à laquelle pourrait se trouver une jumelle de la Terre.

Indépendamment des observations de Kepler, on savait déjà depuis longtemps que si des planètes existaient dans la Voie lactée, elles avaient plus de chances de se trouver en orbite autour d’une naine rouge dans un système binaire. Les étoiles doubles sont les plus fréquentes dans la Galaxie, ainsi que les naines rouges. On estime ainsi que 75 % des étoiles les plus proches dans un rayon de dix parsecs sont des naines rouges (plus précisément de type M) et qu’il y en aurait plus de 75 milliards dans la Voie lactée.

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Une vue d'artiste d'une exoplanète avec une lune en orbite autour d'une naine rouge. Ces étoiles vivant plus longtemps que notre Soleil, elles pourraient abriter des civilisations âgées de plusieurs milliards d'années déjà. © David A. Aguilar, CfA

Une naine rouge a en moyenne un diamètre d’environ un tiers de celui du Soleil, et elle est 1.000 fois moins lumineuse. Cela implique que si une planète se trouve dans sa zone d’habitabilité, elle doit être bien plus proche de son étoile que ne l’est la Terre du Soleil. Une telle planète habitable serait très probablement en rotation synchrone, ce qui veut dire qu’elle présente toujours la même face à son soleil.

Une telle situation génère un environnement difficile. Selon les exobiologistes, cela n’interdit pas l’apparition de la vie, ni même celle d’une civilisation intelligente. Les membres de Seti peuvent donc raisonnablement y rechercher des techno signatures. L’atmosphère et les océans d’une planète dans la zone d’habitabilité autour d’une naine rouge pourraient bien assurer une répartition des températures entre la face perpétuellement dans l’obscurité et celle dans la lumière du jour, rendant le climat moins extrême.

Une Krypton à moins de 22 années-lumière de la Terre ?

Un autre facteur qui rend difficile l'apparition et le développement de la vie autour des naines rouges doit toutefois être pris en compte. On sait en effet que les naines rouges de type M sont sujettes à des éruptions magnétiques violentes générant des radiations mortelles pour les organismes vivants. Cependant, comme la Terre se protège des colères du Soleil avec son champ magnétique et son atmosphère, on ne peut pas en déduire que la vie est impossible autour de ces étoiles.

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Un graphique montrant l'échantillon des 95 exoplanètes autour de naines rouges (red dwarf), peut-être découvertes par Kepler, utilisé pour estimer la distance de l'exo terre la plus proche. Seulement trois sont dans la zone d'habitabilité (bande verte). En abscisse, l'éclairement reçu par l'exo planète rapporté à celui de la Terre, et en ordonnée son rayon par rapport à celui de la Terre (Earth). © C. Dressing, CfA

Courtney Dressing et David Charbonneau ont retenu dans un premier temps un échantillon approprié de 3.897 naines rouges dans le catalogue de Kepler. Dans cet échantillon, les observations de Kepler ont conduit à suspecter la présence de 95 exoplanètes. Trois pourraient bien être dans la zone d’habitabilité, avec un rayon compris entre 0,9 et 2 fois celui de la Terre.

Il s’agit de Kepler Object of Interest (KOI) 1422.02, qui a une période orbitale de 20 jours pour un rayon de 0,9 fois celui de la Terre ; de KOI 2626.01, avec un rayon de 1,4 fois celui de notre planète et avec une année de 38 jours ; et enfin de KOI 854.01 avec son rayon de 1,7 fois celui de la Terre sur une orbite de 56 jours. Toutes les trois sont situées de 300 à 600 années-lumière de notre planète.

Potentiellement trois exoplanètes dans la zone d’habitabilité

Au final, cet échantillon indiquerait qu’environ 6 % des naines rouges possèderaient une exoterre habitable et qu’il y aurait 95 % de chance que la plus proche soit dans un rayon de moins de 23 années-lumière (7 pc). La distance la plus probable estimée est même de 13 années-lumière (4 pc).

Comme il y a 248 naines rouges à moins de 32 années-lumière (10 pc) de la Terre, Courtney Dressing et David Charbonneau en concluent qu’il y a probablement trois exo terres qui attendent d’être observées à l’aide du télescope James Webb. Quand on se rappelle que voilà quelques mois, on a annoncé la découverte d’exoplanètes autour de Tau Ceti et Alpha du Centaure, cela laisse songeur…

30 milliards d'exoplanètes habitables malgré une rotation synchrone

Autour d'une naine rouge – le type d'étoiles le plus fréquent et dont la luminosité est faible –, la zone d'habitabilité est si proche de l'astre que les planètes qui se trouveraient sur son bord interne doivent généralement finir par tourner en rotation synchrone. Avec une même face continûment exposée à l'étoile, le climat serait-il vivable ? Une atmosphère pourrait les rendre hospitalières, affirme une étude. De quoi doubler le nombre de planètes habitables autour des naines rouges de la Voie lactée !

Une comparaison du Système solaire avec celui de la naine rouge Gliese 581. En abscisse sont portées les distances à l’étoile (distance from star) en unités astronomiques (UA), et en ordonnée les masses des deux étoiles (mass of star). En bleu clair est indiquée la zone d'habitabilité (ZH) minimale, et en bleu foncé celle d'habitabilité maximale, compte tenu de diverses incertitudes. L'une de ces incertitudes concerne l'influence d'une couverture nuageuse pour les exoplanètes en rotation synchrone au bord de la ZH minimale. © Franck Selsis, CNRS, ESO

La couverture nuageuse de la Terre joue un rôle important en favorisant l’habitabilité de notre planète. Inversement, celle de Vénus la rend totalement inhospitalière, même si sa proximité avec le Soleil lui interdit à elle seule l’eau liquide. On ne peut pas exclure qu’un emballement de l’effet de serre similaire à celui de Vénus puisse se produire sur des super terres comme celles que l’on découvre dans la zone d’habitabilité des naines rouges. On sait aussi que Mars serait habitable si sa taille et son champ magnétique étaient plus importants, de sorte que la Planète rouge soit capable de retenir durablement une atmosphère.

Les exobiologistes se préoccupent donc depuis un certain temps d’étudier l’effet de l’atmosphère des exoplanètes sur leur habitabilité. Des chercheurs de l'université de Chicago et de l'université Northwestern viennent d’ailleurs de publier un article sur arxiv dans lequel ils abordent la question de l’habitabilité de planètes si proches d’une naine rouge qu’elles se retrouvent en rotation synchrone. Dans cette situation, qui est celle de la Lune autour de la Terre, la planète présente toujours la même face à son étoile

Nuages qui refroidissent des exo terres

Comment cette absence de succession des jours et des nuits peut-elle affecter les transports de chaleur et de matière dans l’atmosphère ? Si d'importantes quantités d’eau liquide existent à un moment de l'histoire de ces exo planète, à quels phénomènes peut-on s'attendre en présence d’une couverture nuageuse provenant de l’évaporation des océans ?

Pour le savoir, les chercheurs ont réalisé des simulations réalistes du climat de ce genre d'exoplanètes, en tenant compte en 3D du comportement des nuages et de leur capacité à réfléchir et à absorber les rayonnements issus de l’étoile ou du sol de l’exoplanète. Le nombre de calculs à effectuer est énorme et l'équipe a dû faire travailler durant des mois une grappe de serveurs (que l’on appelle encore une ferme de calcul, ou computer cluster en anglais) comptant 216 ordinateurs.

Les simulations effectuées n’étaient pas sans rappeler celles réalisées pour étudier le climat terrestre sur de grandes échelles de temps. Elles ont montré que la formation des nuages avait un rôle important dans le refroidissement de certaines exoplanètes en rotation synchrone autour des naines rouges. La conclusion finale des travaux des astrophysiciens est que le nombre d’exoplanètes habitables dans la Voie lactée a doublé. Elles pourraient être 60 milliards.

Par Rémy Decourt et Laurent Sacco, Futura-Sciences

http://tess.gsfc.nasa.gov/

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