Le télescope spatial James Webb sera lancé fin 2018, et sera prêt à répondre à des questions fondamentales sur le début de l'univers, la naissance des étoiles et des galaxies, et l'origine de la vie. Crédit :NASA/Desiree Stove
La meilleure façon d'étudier les atmosphères de mondes lointains avec le télescope spatial James Webb, lancement prévu fin 2018, combinera deux de ses instruments infrarouges, selon une équipe d'astronomes.
"Nous voulions savoir quelle combinaison de modes d'observation (de Webb) vous permet d'obtenir le maximum d'informations pour un coût minimum, " dit Natasha Batalha, étudiant diplômé en astronomie et astrophysique et astrobiologie, État de Penn, et scientifique principal sur ce projet.
"Le contenu de l'information est la quantité totale d'informations que nous pouvons obtenir du spectre atmosphérique d'une planète, de la température et de la composition du gaz - comme l'eau et le dioxyde de carbone - aux pressions atmosphériques."
Batalha et Michael Line, maître assistant, École des sciences de la Terre et de l'espace, Université de l'État d'Arizona, a développé un modèle mathématique pour prédire la quantité d'informations que différents instruments Webb pourraient extraire sur l'atmosphère d'une exoplanète.
Leur modèle prédit que l'utilisation d'une combinaison de deux instruments infrarouges - le Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) et le mode G395 sur le Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) - fournira le contenu d'informations le plus élevé sur l'atmosphère d'une exoplanète.
NIRISS est une caméra et un spectrographe polyvalents qui observeront des longueurs d'onde infrarouges similaires à celles couvertes par le télescope Hubble. NIRISS, selon Batalha et Line, doit être combiné avec le mode G395 sur NIRSpec, qui observera des cibles dans des longueurs d'onde infrarouges plus longues à la résolution la plus élevée de Webb.
Trois caractéristiques principales affectent la quantité d'informations qu'un instrument peut extraire :la résolution, luminosité maximale observable, et gamme de longueurs d'onde. Ces éléments combinés déterminent la fraction observable totale du contenu informationnel du spectre atmosphérique d'une planète.
NIRISS et NIRSpec observeront les longueurs d'onde du proche infrarouge, la région du spectre électromagnétique dans laquelle les étoiles autour desquelles les exoplanètes orbitent brillent le plus. NIRISS est prêt à mesurer une forte signature de l'eau et NIRSpec peut faire de même pour le méthane et le dioxyde de carbone, trois composés chimiques qui fournissent une quantité substantielle d'informations sur une atmosphère.
L'atmosphère d'une planète absorbe des longueurs d'onde spécifiques de la lumière de l'étoile qui révèlent la composition chimique de l'atmosphère. Crédit :NASA, ESA, et A. Feild (STScI)
Batalha et Line ont testé chacune des dix méthodes d'observation probables seule et dans toutes les combinaisons possibles avec les autres méthodes pour déterminer laquelle maximiserait le contenu total de l'information.
Ils ont récupéré les informations d'un ensemble de planètes simulées avec des températures et des compositions qui couvrent la gamme des atmosphères d'exoplanètes précédemment observées. En comparant le contenu d'informations récupérables dans l'atmosphère de chaque planète, Batalha et Line ont découvert que cette combinaison des modes NIRISS et NIRSpec donne le plus d'informations quelle que soit la température ou la composition de l'exoplanète. Les chercheurs ont publié ces résultats dans Le journal astronomique .
"Nous ne connaîtrons pas à l'avance la température d'une planète, " dit Batalha. " Si vous allez faire une observation dans le noir, vous avez les meilleures chances d'obtenir les informations que vous souhaitez avec cette combinaison d'instruments."
Alors qu'une exoplanète passe entre son étoile hôte et les télescopes de la Terre, une partie de la lumière de l'étoile traverse l'atmosphère de l'exoplanète. L'exo-atmosphère laisse son empreinte digitale dans la lumière de l'étoile - le spectre de transmission de la planète - à partir de laquelle les astronomes peuvent en apprendre davantage sur la température de l'exo-atmosphère, composition chimique et structure. L'analyse du contenu de l'information des chercheurs se concentre sur les informations récupérables à partir du spectre de transmission d'une planète.
Alors que Webb ne sera lancé qu'à la fin de 2018, mais les astronomes planifient déjà la première série d'observations qu'ils aimeraient du télescope.
"Si nous pouvons élaborer une stratégie maintenant, " dit Batalha, "Au moment où le premier cycle de propositions formelles arrive, nous pouvons nous assurer que nous choisissons les meilleurs modes pour des propositions plus importantes et ne perdons pas un temps d'observation précieux. De cette façon, tout le monde commence sur un pied d'égalité avec la science."
Alors qu'ils mettent en évidence deux modes NIRISS et NIRSpec comme la meilleure combinaison pour observer la plupart des exo-atmosphères, Batalha et Line expliquent que les autres modes seront toujours utiles pour observer différentes caractéristiques des exo-atmosphères que les astronomes n'ont pas testées, comme des nuages, brume et atmosphères suffisamment chaudes pour émettre leur propre lumière.
"À l'avenir, " Batalha dit, "il y aura une poussée pour caractériser la première Terre 2.0. Si nous ne définissons pas cela maintenant et ne maîtrisons pas l'art de caractériser les exo-atmosphères, nous ne caractériserons jamais avec précision la Terre 2.0."
