Une douce soirée de Floride, et ma famille et moi étions sur Cocoa Beach, regardant vers le nord en direction de la base aérienne de Cap Canaveral. Nous faisions partie d'une foule de bord de mer rassemblée pour assister au lancement du télescope spatial Kepler de la NASA. Alors que la boule de feu apparaissait et commençait lentement à s'élever au loin, nous avons applaudi avec nos collègues observateurs. Environ 30 secondes plus tard, nous avons senti le sol gronder et entendu le rugissement profond, regarder la fusée Delta II monter dans le ciel nocturne et accélérer alors qu'elle se dirigeait vers l'océan.

Kepler a ensuite passé neuf ans dans l'espace lointain à la recherche de voisins galactiques comme nous :des planètes de la taille de la Terre en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil. Kepler a observé une partie de la galaxie de la Voie lactée qui comprenait des millions d'étoiles. Il a renvoyé des données sur près de 200, 000 d'entre eux et trouvé plus de 2, 300 exoplanètes, des planètes en dehors de notre système solaire.

"Avec les données de Kepler, nous avons des informations plus précises et détaillées que jamais auparavant, " dit l'astrophysicien Eric Ford, qui faisait partie de l'équipe scientifique de Kepler. Ford et ses collègues du Penn State's Center for Exoplanets and Habitable Worlds s'appuient sur l'héritage du professeur Evan Pugh Alex Wolszczan, qui a découvert les premières exoplanètes connues en 1992 en utilisant des relevés d'instruments au sol. "Kepler a trouvé des milliers de planètes, " dit Ford. " Les astronomes aimeraient en savoir plus sur chacun d'eux, mais il n'y a pas assez de temps de télescope. Puisque les gens sont particulièrement intéressés à en savoir plus sur ceux qui peuvent ressembler à la Terre, nous prévoyons de nous concentrer sur la caractérisation des planètes dans les zones habitables de leurs systèmes planétaires."

La zone habitable est une région au sein d'un système solaire - une distance ni trop proche ni trop éloignée d'un soleil - où une planète aurait les conditions nécessaires pour avoir de l'eau liquide à sa surface, une condition importante pour l'existence d'une vie basée sur le carbone telle que nous la connaissons. James Kasting, Professeur Evan Pugh des Sciences de la Terre, a été l'un des premiers développeurs du concept. La température de surface de la planète doit être supérieure au point de congélation de l'eau et inférieure au point d'ébullition. D'autres conditions entrent également en jeu, y compris la masse de la planète, rotation, et ambiance. Parmi les exoplanètes Kepler analysées jusqu'à présent, plusieurs dizaines sont considérées comme étant dans la zone habitable de leur étoile.

Eric Ford, membre de l'équipe scientifique Kepler, étudie comment les planètes se forment et évoluent, à la fois dans notre système solaire et dans d'autres. Beaucoup de systèmes trouvés par Kepler sont très différents des nôtres, soulevant de nouvelles questions sur la façon dont les systèmes planétaires se développent et pourquoi ils se présentent sous des formes si diverses. L'instrument Kepler a été nommé pour l'astronome allemand Johannes Kepler, qui, au début des années 1600, a formulé trois lois du mouvement planétaire.

Comment trouver une exoplanète

Dans sa recherche d'exoplanètes, la mission Kepler a utilisé la méthode du transit, en utilisant une technologie semblable à celle d'un appareil photo numérique pour détecter et mesurer de minuscules baisses de luminosité d'une étoile lorsqu'une planète passe devant l'étoile. Avec des observations de planètes en transit, les astronomes peuvent calculer le rapport du rayon d'une planète à celui de son étoile - essentiellement la taille de l'ombre de la planète - et avec ce rapport, ils peuvent calculer la taille de la planète. "Nous connaissons la taille de milliers de planètes grâce à la méthode du transit, ", dit Ford.

Bien que son électronique à énergie solaire puisse continuer à fonctionner pendant longtemps, cet automne dernier, Kepler a manqué de carburant hydrazine nécessaire pour s'orienter avec précision, et la NASA a retiré le vaisseau spatial. C'est maintenant à 94 millions de kilomètres, sur une orbite traînant la Terre autour du Soleil. Mais la mission a produit suffisamment de données pour occuper les astronomes pendant des années. Et maintenant, une nouvelle mission de la NASA élargit le recensement des exoplanètes de Kepler en ciblant de plus près, étoiles plus brillantes.

TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), qui a été lancée en avril dernier, scrute presque tout le ciel, un patch à la fois, à la recherche de planètes en transit autour des étoiles les plus proches. Alors que les étoiles typiques observées par Kepler étaient de 300 à 3, 000 années-lumière (une année-lumière équivaut à environ six mille milliards de milles), TESS regarde des étoiles qui ne sont qu'à quelques dizaines d'années-lumière. Et plutôt que de passer des années à regarder une parcelle de ciel, comme Kepler l'a fait, TESS déplacera sa vue d'une parcelle de ciel à l'autre.

En utilisant les observations TESS d'étoiles plus brillantes, en moyenne 30 à 100 fois plus brillantes que les étoiles étudiées par Kepler, les astronomes pourront inspecter les planètes de plus près et effectuer des observations de suivi plus facilement. "Avec TESS, nous nous concentrons sur la recherche de planètes autour d'étoiles plus proches de nous, puisque nous pourrons les caractériser plus efficacement, " dit Ford. Les données de TESS fourniront des informations sur la taille et la période orbitale d'une planète, et des observations de suivi avec d'autres instruments permettront aux chercheurs de mesurer les masses et de décrire les atmosphères de ces planètes.

Mais aussi précieux que soit la méthode du transit pour les études planétaires, il a ses limites. "Les transits vous permettent seulement de voir les planètes qui se croisent entre nous et l'étoile que nous regardons, " explique l'astrophysicienne Fabienne Bastien. " Les vitesses radiales nous permettent de voir les systèmes planétaires dans d'autres orientations. "

Aussi appelée spectroscopie Doppler, la méthode de vitesse radiale au sol était en fait la première technique pour détecter des exoplanètes hébergées par des étoiles semblables au Soleil. Il est basé sur le fait qu'une étoile vacille légèrement en réponse à l'attraction gravitationnelle d'une planète en orbite. Ces petits mouvements affectent le spectre lumineux de l'étoile, ou signature couleur. Lorsque l'étoile s'éloigne légèrement d'un observateur, la longueur d'onde de sa lumière s'allonge légèrement, se déplaçant vers l'extrémité rouge du spectre. Alors que la planète en orbite tire légèrement l'étoile vers l'observateur, la lumière de l'étoile se déplace vers le bleu. Grâce à des observations répétées des changements dans le spectre de l'étoile, les chercheurs peuvent calculer la masse de la planète.

Bastien, dont les recherches portent sur les étoiles hôtes des systèmes planétaires, combine des données de transit avec des études de vitesse radiale pour en savoir plus sur les soleils lointains. "Ces soleils ont des taches et des éruptions et toutes sortes d'activités qui peuvent imiter ou masquer un signal d'exoplanète, " dit-elle. " Une grande partie de mon travail consiste à démêler le signal planétaire du signal stellaire, nous pouvons donc confirmer que c'est en fait une planète que nous voyons. Penn State est déjà une centrale de vitesse radiale, et je suis enthousiasmé par deux nouveaux spectrographes qui sont beaucoup plus sensibles que ce que nous avons eu à ce jour et qui feront considérablement progresser nos études. »

Ces nouveaux de classe mondiale, spectrographes très sensibles, construit par une équipe de Penn State dirigée par l'astrophysicien Suvrath Mahadevan, sont sur le point de changer le paysage de la vitesse radiale. Ils mesureront les vitesses radiales de manière extrêmement précise pour caractériser les planètes de faible masse dans ou à proximité des zones habitables de leurs étoiles. Un spectrographe est conçu pour l'étude optique des étoiles proches du Soleil, et l'autre pour détecter le refroidisseur, plus faible, étoiles de faible masse utilisant la lumière infrarouge.

"I can't wait to use these spectrographs to explore some ideas I have for finding habitable exoplanets, " Bastien says. "I want to start a planet search around some stars that haven't received much attention because they're too noisy—there are complicating factors around them that make them difficult to study. The group here is enthusiastic and collaborative and open to new ideas, so there are all sorts of possibilities."

Fabienne Bastien studies the host stars of planetary systems. It's fairly easy to find a star, but knowing whether it has planets orbiting around it is much harder. Two approaches Bastien uses are the transit method and the radial velocity method.

All planetary systems are not alike

As researchers learn more about potential habitable zones of distant solar systems, they also want to learn about how those systems might have formed and evolved. That's the research focus of astrophysicist Rebekah Dawson. "It's an exciting time because so many new planets have been discovered in other solar systems and they're very different from the planets in our solar system, " she says. "Exoplanet discoveries forced us to change our understanding of solar system and planet formation."

Par exemple, Kepler found a lot of planets with sizes between that of Earth and Neptune (about four times Earth's diameter), that are as close to their stars as Mercury is to the Sun, or even closer. "These planets are common in other planetary systems, and we have nothing like them in our solar system, " Dawson says. "So we're going back to the drawing board with some of our theories for how planets form and what happens early in planetary systems, now that we don't have just our solar system to judge these theories against."

Dawson's research on planetary systems can in turn inform and provide context for studies of individual planet formation. By understanding what might have been happening early on in a planetary system, she and her colleagues can develop theories about how planets might form in that system. Par exemple, as giant planets gravitationally interact with each other, they could be sending asteroids and comets into regions where terrestrial planets are forming, and that could influence the composition of those planets.

Among Dawson's research interests are hot Jupiters, some of the first exoplanets ever discovered. Similar in mass to our Jupiter, these giant gas planets are much closer to their sun than Jupiter is to our Sun. They complete an orbit in three to four days. "That's not where we expected to find giant gas planets in their solar systems, " Dawson says. "We're trying to understand their origin and how they could be so close to their star. One theory is that after these hot Jupiters formed, they were put into an extremely elliptical orbit that would bring them close to their star, and then tidal friction—tides raised on the Jupiter by the star—caused the orbit to shrink and become more circular.

"I sometimes think of a planetary system as an ecosystem that could support a potentially habitable planet, and we have to understand how the whole thing functions to really understand if that planet is habitable and what its formation history is, " Dawson continues. "When we started to learn about those hot Jupiters and how their orbits might have been altered, that has implications for the rest of the planetary system. If that were happening, it would probably wipe out any planets in between the hot Jupiter and the star, so that region wouldn't be a likely place to find a habitable planet"—even if it's the right distance from the star to be in the habitable zone.

Rebekah Dawson studies how planetary systems formed and evolved. Kepler has revealed that many of the planets in other systems are very different from the planets in our own solar system, and that just because a planet is in a system's habitable zone doesn't mean that it is habitable.

Where do we go from here?

Fabienne Bastien recalls the sense of wonder she felt when, as a graduate student, she heard Kepler scientist Natalie Batalha speak of her own realization that the stars we see at night are more than distant suns. "Now we know that they're not just stars, they're planetary systems, " she says—each one potentially home to habitable worlds.

With everything astronomers have learned about that potential, there's still much that remains a mystery. Current methods are just beginning to characterize the atmospheres of exoplanets and determine whether a planet in the habitable zone might have a surface that is conducive or hostile to life. Recent progress gives scientists a better idea of what questions to ask and what kinds of instruments are needed to address them.

"When astronomers have just discovered a planet, we could say it's potentially habitable, but that is more a statement of our limited knowledge than of the properties of the planet, " Ford says. "We want to design a hypothesis that is testable through observations we're able to make. If we can find 100 rocky planets in the habitable zone and characterize their atmospheres to look for water and biomarkers, then we might find some really fascinating planets—but there's also the possibility that we conclude that none of them are suitable for Earth-like life."

One long-term goal for astronomers is direct detection of exoplanets, rather than having to infer their existence through transit or radial velocity studies. Dawson is now serving on a team laying the groundwork for a Large UV Optical Infrared Surveyor (LUVOIR), a multi-wavelength space observatory concept being studied by NASA's Goddard Space Flight Center. LUVOIR is envisioned to be a twelve- to fifteen-meter diameter telescope that would operate about a million miles from Earth. It would allow scientists to recognize planets directly, as small bright bodies against the dark of space. Once a planet is identified, other techniques could then be used to measure its mass and examine other important features.

As researchers look to new technologies such as the new spectrographs, LUVOIR, and other future missions, they're optimistic that one day we'll know whether our solar system is a rare phenomenon or if life does indeed exist on other planets.

"If you think about it, it's amazing that Earth has both continents and oceans, as well as an atmosphere and climate that sustain life, " Ford says. "Is that significant? Is it just the right balance? Is Earth a great coincidence or does planet formation often produce similar planets?"

"Before exoplanets were discovered, I think a lot of us expected every planetary system to look like the solar system, or we thought most stars don't have planets, " Dawson adds. "But instead, what we're seeing is that most stars do have planets, and a lot of these planetary systems are very different from our solar system. Does that make the solar system unusual? We don't know yet. Despite our best instruments and technology, we're still only looking in our own little neighborhood of the galaxy.

"Heureusement, I don't think we necessarily need to look at all the stars in the galaxy to know whether our solar system is unusual. And every time there's a new mission or a new instrument that can do something different or dramatically improve the quality of data, there's something surprising that keeps us excited."