Une exoplanète sur le point de traverser - ou de transiter - son étoile. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA
Dans la quête de planètes habitables au-delà de la nôtre, La NASA étudie un concept de mission appelé Pandora, qui pourrait éventuellement aider à décoder les mystères atmosphériques des mondes lointains de notre galaxie. L'une des quatre missions d'astrophysique à faible coût sélectionnées pour le développement ultérieur du concept dans le cadre du nouveau programme Pioneers de la NASA, Pandora étudierait environ 20 étoiles et exoplanètes – des planètes en dehors de notre système solaire – pour fournir des mesures précises des atmosphères exoplanétaires.
Cette mission chercherait à déterminer les compositions atmosphériques en observant les planètes et leurs étoiles hôtes simultanément en lumière visible et infrarouge sur de longues périodes. Notamment, Pandora examinerait l'impact des variations de la lumière d'une étoile hôte sur les mesures des exoplanètes. Cela reste un problème important pour identifier la composition atmosphérique des planètes en orbite autour d'étoiles couvertes de taches stellaires, ce qui peut provoquer des variations de luminosité lorsqu'une étoile tourne.
Pandora est une petite mission satellite connue sous le nom de SmallSat, l'une des trois missions orbitales de ce type ayant reçu le feu vert de la NASA pour passer à la prochaine phase de développement du programme Pioneers. Les SmallSats sont des missions de vol spatial à faible coût qui permettent à l'agence de faire progresser l'exploration scientifique et d'augmenter l'accès à l'espace. Pandora fonctionnerait en orbite terrestre basse héliosynchrone, qui maintient toujours le Soleil directement derrière le satellite. Cette orbite minimise les changements de luminosité sur le satellite et permet à Pandora d'obtenir des données sur de longues périodes. Parmi les concepts SmallSat sélectionnés pour une étude plus approfondie, Pandora est la seule à se concentrer sur les exoplanètes.
"La science exoplanétaire passe d'une ère de découverte de planètes à une ère de caractérisation atmosphérique, " dit Elisa Quintana, un astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et le chercheur principal de Pandora. "Pandora s'efforce de comprendre comment l'activité stellaire affecte nos mesures des atmosphères des exoplanètes, qui jettera les bases de futures missions d'exoplanètes visant à trouver des planètes avec des atmosphères semblables à la Terre. »
Maximiser le potentiel scientifique
Pandora se concentre sur l'étude des atmosphères exoplanétaires et stellaires en étudiant les planètes lorsqu'elles se croisent devant - ou transitent - leurs étoiles hôtes. Pour y parvenir, Pandora profiterait d'une technique éprouvée appelée spectroscopie de transit, qui consiste à mesurer la quantité de lumière stellaire filtrant à travers l'atmosphère d'une planète, et le diviser en bandes de couleur connues sous le nom de spectre. Ces couleurs codent des informations qui aident les scientifiques à identifier les gaz présents dans l'atmosphère de la planète, et peut aider à déterminer si une planète est rocheuse avec une atmosphère mince comme la Terre ou si elle a une enveloppe de gaz épaisse comme Neptune.
Cette illustration (pas à l'échelle) représente le modèle orbital de Pandore en orbite terrestre basse héliosynchrone, situé à environ 435 à 497 miles (700 à 800 kilomètres) au-dessus de la surface de la Terre, en observant ses exoplanètes et étoiles ciblées. Cette orbite permet à Pandora d'obtenir de multiples observations d'exoplanètes sur de longues périodes et la zone d'exclusion Earthshine permet d'éviter la lumière réfléchie par la Terre. Crédit :Lawrence Livermore National Laboratory et Goddard Space Flight Center de la NASA
Cette mission, cependant, pousserait la spectroscopie de transit encore plus loin. Pandora est conçu pour atténuer l'un des revers les plus cruciaux de la technique :la contamination stellaire. "Les étoiles ont des atmosphères et des caractéristiques de surface changeantes comme des taches qui affectent nos mesures, " a déclaré Jessie Christiansen, le directeur scientifique adjoint des archives des exoplanètes de la NASA à Caltech à Pasadena, Californie, et co-investigateur pour Pandora. "Pour être sûr que nous observons vraiment l'atmosphère d'une exoplanète, nous devons démêler les variations de la planète de celles de l'étoile."
Pandora séparerait les signaux stellaires et exoplanétaires en les observant simultanément en lumière infrarouge et visible. La contamination stellaire est plus facile à détecter aux longueurs d'onde les plus courtes de la lumière visible, Ainsi, l'obtention de données atmosphériques à la fois par la lumière infrarouge et la lumière visible permettrait aux scientifiques de mieux différencier les observations provenant des atmosphères et des étoiles des exoplanètes.
"La contamination stellaire est un point de friction qui complique les observations précises des exoplanètes, " dit Benjamin Rackham, a 51 Pegasi b Postdoctoral Fellow au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge et co-chercheur pour Pandora. "Pandora aiderait à construire les outils nécessaires pour démêler les signaux stellaires et planétaires, nous permettant de mieux étudier les propriétés des taches stellaires et des atmosphères exoplanétaires."
Synergie dans l'espace
En s'associant aux missions plus importantes de la NASA, Pandora fonctionnerait en même temps que le télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu plus tard cette année. Webb offrira la possibilité d'étudier les atmosphères d'exoplanètes aussi petites que la Terre avec une précision sans précédent, et Pandora chercherait à étendre les recherches et les découvertes du télescope en observant les étoiles hôtes de planètes précédemment identifiées sur de plus longues périodes.
Des missions telles que le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, Le télescope spatial Hubble, et les anciens vaisseaux spatiaux Kepler et Spitzer ont donné aux scientifiques des aperçus étonnants de ces mondes lointains, et a jeté des bases solides dans la connaissance exoplanétaire. Ces missions, cependant, n'ont pas encore résolu pleinement le problème de la contamination stellaire, dont l'ampleur est incertaine dans les études précédentes des atmosphères exoplanétaires. Pandora cherche à combler ces lacunes critiques dans la compréhension de la NASA des atmosphères planétaires et à augmenter les capacités de recherche sur les exoplanètes.
"Pandora est la bonne mission au bon moment car des milliers d'exoplanètes ont déjà été découvertes, et nous sommes conscients de beaucoup qui se prêtent à la caractérisation atmosphérique qui orbitent de petites étoiles actives, " a déclaré Jessie Dotson, un astrophysicien au centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley en Californie et le chercheur principal adjoint de Pandora. "La prochaine frontière est de comprendre les atmosphères de ces planètes, et Pandora jouerait un rôle clé dans la découverte de l'impact de l'activité stellaire sur notre capacité à caractériser les atmosphères. Ce serait un excellent complément à la mission de Webb."
Cette illustration montre l'utilisation par Pandora de la spectroscopie de transit pour identifier de manière fiable la composition atmosphérique d'une exoplanète lorsqu'elle passe devant son étoile hôte. Crédit :Lawrence Livermore National Laboratory et Goddard Space Flight Center de la NASA
Une rampe de lancement pour l'exploration
Laboratoire national Lawrence Livermore (LLNL), à Livermore, Californie, co-dirige la mission Pandora avec le Goddard Space Flight Center de la NASA. LLNL gérera la mission et tirera parti des capacités développées pour d'autres agences gouvernementales, y compris une approche à faible coût de la conception et de la fabrication du télescope qui permet cette science révolutionnaire des exoplanètes à partir d'une plate-forme SmallSat.
le programme Pionniers de la NASA, qui se compose de SmallSats, charges utiles attachées à la Station spatiale internationale, et des expériences scientifiques sur ballons, encourage les expériences spatiales et suborbitales innovantes pour les chercheurs en début de carrière grâce à des petites missions matérielles. Dans le cadre de ce nouveau programme, Pandora fonctionnerait sur un calendrier de cinq ans avec un plafond budgétaire de 20 millions de dollars.
Malgré de fortes contraintes, le programme Pioneers permet à Pandora de se concentrer sur une question de recherche ciblée tout en engageant une équipe diversifiée d'étudiants et de scientifiques en début de carrière de plus d'une douzaine d'universités et d'instituts de recherche. Cette plate-forme SmallSat crée un excellent plan pour les missions à petite échelle afin d'avoir un impact dans la communauté astrophysique.
"Les observations de longue durée de Pandora en lumière visible et infrarouge sont uniques et bien adaptées aux SmallSats, " a déclaré Quintana. "Nous sommes ravis que Pandora joue un rôle crucial dans la quête de la NASA pour trouver d'autres mondes qui pourraient potentiellement être habitables."
