Vue d'artiste du futur télescope de trente mètres. Crédit :Caltech/IPAC-TMT
Récemment, les astronomes ont annoncé la découverte qu'une étoile appelée TRAPPIST-1 est en orbite autour de sept planètes de la taille de la Terre. Trois des planètes résident dans la "zone habitable, " la région autour d'une étoile où l'eau liquide est la plus susceptible d'exister à la surface d'une planète rocheuse. D'autres mondes potentiellement habitables ont également été découverts ces dernières années, laissant beaucoup de gens se demander :comment savoir si ces planètes hébergent réellement la vie ?
Chez Caltech, au Laboratoire de technologie des exoplanètes, ou ET Lab, du professeur agrégé d'astronomie Dimitri Mawet, les chercheurs se sont employés à développer une nouvelle stratégie pour analyser les exoplanètes à la recherche de biosignatures, des signes de vie tels que les molécules d'oxygène et le méthane. Ces produits chimiques - qui ne restent pas naturellement longtemps parce qu'ils se lient à d'autres produits chimiques - sont abondants sur Terre en grande partie grâce aux créatures vivantes qui les expulsent. Trouver ces deux produits chimiques autour d'une autre planète serait un indicateur fort de la présence de la vie.
Dans deux nouveaux articles à paraître dans le Journal d'astrophysique et le Journal astronomique , L'équipe de Mawet démontre comment cette nouvelle technique, appelée coronagraphie à haute dispersion, pourrait être utilisé pour rechercher des biosignatures extraterrestres avec le télescope de trente mètres (TMT) prévu, lequel, une fois terminé d'ici la fin des années 2020, sera le plus grand télescope optique du monde.
En utilisant des modèles théoriques et de laboratoire, les chercheurs montrent que cette technique pourrait détecter des biosignatures sur des planètes semblables à la Terre autour d'étoiles naines M, qui sont plus petites et plus froides que notre soleil et le type d'étoile le plus commun dans la galaxie. La stratégie pourrait également être utilisée sur des étoiles comme notre propre soleil, en utilisant de futurs télescopes spatiaux tels que la mission d'imagerie des exoplanètes habitables proposée par la NASA (HabEx) et le Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR).
"Nous avons montré que cette technique fonctionne en théorie et en laboratoire, donc notre prochaine étape est de montrer que cela fonctionne sur le ciel, " dit Ji Wang, l'un des auteurs principaux des deux nouveaux articles et chercheur postdoctoral au laboratoire Mawet. L'équipe testera l'instrumentation sur l'observatoire W. M. Keck à Hawaï cette année ou l'année prochaine.
Le diagramme montre comment la nouvelle technologie développée à Caltech fonctionnera à l'avenir pour aider les astronomes à rechercher des biosignatures moléculaires sur les exoplanètes. Les coronagraphes bloquent la lumière d'une étoile, rendre les planètes en orbite plus faciles à voir. Des spectromètres à haute résolution aideraient à isoler davantage la lumière d'une planète, et pourrait révéler des molécules dans l'atmosphère de la planète. Crédit :Caltech/IPAC-TMT
La nouvelle technique comporte trois composants principaux :un coronographe, un ensemble de fibres optiques, et un spectromètre haute résolution. Les coronagraphes sont des dispositifs utilisés dans les télescopes pour bloquer ou supprimer la lumière des étoiles afin que les planètes puissent être imagées. Les étoiles surpassent leurs planètes de quelques milliers à quelques milliards de fois, rendant les planètes difficiles à voir. De nombreux types différents de coronographes sont en cours de développement; par exemple, Le groupe de Mawet a récemment installé et pris des images initiales avec son nouveau coronographe vortex sur l'observatoire de Keck.
Une fois l'image d'une planète obtenue, la prochaine étape consiste à étudier l'atmosphère de la planète à l'aide d'un spectromètre, un instrument qui brise la lumière de la planète pour révéler des "empreintes digitales" de produits chimiques, comme l'oxygène et le méthane. La plupart des coronographes fonctionnent en conjonction avec des spectromètres à basse résolution. La nouvelle technique de Mawet intègre un spectromètre haute résolution, qui présente plusieurs avantages.
L'un des principaux avantages est d'aider à filtrer davantage la lumière des étoiles indésirable. Avec des spectromètres haute résolution, les caractéristiques spectrales d'une planète sont plus détaillées, ce qui facilite la distinction et la séparation de la lumière de la planète de la lumière des étoiles qui se cache.
Ce que cela signifie, c'est que, dans la méthode de Mawet, le coronographe n'a pas besoin d'être aussi bon pour filtrer la lumière des étoiles qu'on le croyait nécessaire pour caractériser les mondes semblables à la Terre.
"Cette nouvelle technique ne nécessite pas que le coronographe travaille aussi dur, et c'est important parce que nous pouvons utiliser les technologies actuelles qui sont déjà disponibles, " dit Mawet, qui est également chercheur au Jet Propulsion Laboratory (JPL), qui est géré par Caltech pour la NASA. "Avec un spectromètre haute résolution, nous pouvons améliorer la sensibilité de notre système d'un facteur 100 à 1, 000 par rapport aux méthodes terrestres actuelles."
Une configuration de laboratoire d'instrumentation conçue pour rechercher des biosignatures sur des exoplanètes à l'aide du futur télescope de trente mètres. Le chemin que la lumière empruntera à travers les appareils est animé. L'équipement est à peu près de la même taille que ce qui serait installé dans un télescope, mais serait arrangé différemment. Crédit :Caltech/IPAC-TMT
Un autre avantage de l'utilisation de spectromètres à haute résolution réside dans la richesse des données. En plus de fournir plus de détails sur les constituants moléculaires de l'atmosphère d'une planète, ces instruments devraient être capables de révéler le taux de rotation d'une planète et de fournir des cartes approximatives des caractéristiques de surface et des modèles météorologiques. "C'est loin, mais nous pourrions même avoir la capacité de rechercher des continents sur des planètes candidates semblables à la Terre, " dit Mawet.
Dans la conception de l'équipe, le coronographe est relié au spectromètre haute résolution à l'aide d'un ensemble de fibres optiques. Étonnamment, des expériences en laboratoire ont révélé que les fibres filtrent également la lumière des étoiles.
"C'était complètement fortuit, " dit Garreth Ruane, co-auteur des deux nouveaux articles et boursier postdoctoral de la National Science Foundation dans le groupe de Mawet. "C'est la cerise sur le gâteau."
Prochain, les chercheurs démontreront leur technique à l'observatoire de Keck. Bien que l'instrumentation ne puisse pas encore étudier les planètes potentielles semblables à la Terre - cela nécessitera le plus grand télescope de trente mètres - le système devrait être en mesure de révéler de nouveaux détails sur les atmosphères des plus grandes exoplanètes gazeuses, y compris des variétés exotiques qui ne ressemblent en rien à celles de notre propre système solaire.
"Cette nouvelle innovation consistant à combiner le coronographe avec un spectromètre haute résolution nous donne une voie claire pour finalement rechercher la vie au-delà de la Terre."
