Les chercheurs de la NASA disent qu'ils ont franchi une étape importante dans leur quête pour développer des outils plus puissants pour détecter et analyser directement l'atmosphère des planètes géantes en dehors du système solaire - l'un des objectifs d'observation du télescope spatial infrarouge à large champ proposé par la NASA, également connu sous le nom de WFIRST.

Lors de tests menés sur le banc d'essai d'imagerie à contraste élevé du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, ou JPL, à Pasadena, La Californie, l'un des bancs d'essai les plus avancés au monde, les chercheurs ont créé ce qu'ils appellent une région de contraste très profond entre une étoile simulée et sa planète. Ils ont également démontré la capacité de détecter et d'analyser la faible lumière de la planète sur une partie relativement importante de la bande de longueur d'onde visible à proche infrarouge.

Un instrument développé par des scientifiques du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland—le prototype de spectrographe d'imagerie pour les études coronarographiques des exoplanètes, ou POISSONS - a joué un rôle important dans la démonstration, montrant qu'il pouvait séparer la lumière d'une ou plusieurs exoplanètes de la taille de Jupiter par leur longueur d'onde (couleur) et enregistrer les données à chaque position autour d'une étoile.

Pour apprécier le jalon des chercheurs, il est important de comprendre le défi lui-même.

La lumière de ces planètes est extrêmement faible - plus faible que leurs étoiles hôtes d'un facteur de 100 millions ou plus, et de notre point de vue sur Terre, ces planètes apparaissent assez proches de leurs étoiles. Avec une caméra d'imagerie conventionnelle, la lumière de la planète se perd dans l'éclat de l'étoile. Cependant, avec un coronographe, un appareil qui supprime l'éblouissement et crée une zone sombre autour d'une étoile, la faible lumière d'une exoplanète peut être révélée.

Travaillant de concert avec le coronographe, un spectrographe de champ intégral, ou IFS, comme les POISSONS, serait capable de séparer la lumière de l'exoplanète par sa longueur d'onde et d'enregistrer les données, révélant des détails sur les propriétés physiques de la planète, y compris la composition chimique et la structure de son atmosphère.

Pendant le test, l'équipe Goddard-JPL a maintenu un contraste très profond sur 18% de la bande de longueur d'onde du coronographe, un record qui augure bien pour de futures missions comme WFIRST, qui a référencé un coronographe et un instrument de type IFS sur la mission. (Pour mettre cela en perspective, l'œil humain peut voir tout le spectre visible des couleurs, du bleu au rouge, ce qui correspond à une bande passante de 50 pour cent. En comparaison, un pointeur laser a une seule couleur, ce qui est beaucoup plus petit qu'un pour cent.)

"Atteindre un contraste aussi profond sur une bande aussi large n'a jamais été fait auparavant et était l'un de nos objectifs. Idéalement, nous aimerions observer tout le spectre de la planète, autrement dit, voir toutes ses couleurs à la fois, mais ce n'est pas encore possible avec les technologies coronagraphiques actuelles. Dix-huit pour cent, comme démontré par POISSONS, est l'état de l'art actuel, " a déclaré Michael McElwain, scientifique de Goddard et scientifique des instruments PISCES. En comparaison, Le coronographe de laboratoire du JPL a maintenu le même niveau de contraste sombre sur 10 pour cent des bandes de longueur d'onde optique avant la mise en service du PISCES de table l'année dernière.

"Nous n'avons pas encore terminé et essayons toujours d'obtenir des contrastes plus élevés, mais le 100 millions pour un sur 18 pour cent de la bande de longueur d'onde optique est une étape importante et significative, " dit Maxime Rizzo, un étudiant postdoctoral qui travaille avec McElwain et son équipe pour faire progresser PISCES. "Avec l'augmentation de la bande passante, nous pouvons obtenir plusieurs couleurs à la fois. Cela nous permet d'identifier plus de molécules dans l'atmosphère et d'avoir une vue d'ensemble."

POISSONS, que McElwain a développé grâce au financement du programme de recherche et développement interne de Goddard et de la prestigieuse bourse Nancy Grace Roman Technology, sépare la lumière un peu différemment des spectrographes plus traditionnels.

En tant qu'appareil de type IFS, PISCES prend une image coronagraphique et l'échantillonne avec un réseau de micro-lentilles composé de plus de 5, 800 petits segments de verre pas plus larges que la largeur de trois cheveux humains. La micro-lentille crée un réseau de « spots » qui sont ensuite dispersés par un prisme et finalement réimagés sur un détecteur. En pratique, chaque micro-lentille, ou lentille, isole une petite partie de l'image coronographique, créant des micro-spectres pour la lumière qui traverse chaque minuscule lentille. Les multiples spectres sont ensuite combinés dans un cube de données que les scientifiques analysent.

L'IFS fournit toutes les informations de longueur d'onde simultanément sur tout le champ de vision. Avec des observations d'imagerie plus traditionnelles, les scientifiques doivent parcourir les différentes longueurs d'onde, ce qui prend du temps et nécessite un mécanisme pour changer les filtres - des exigences non souhaitables avec un observatoire en orbite qui n'a que peu de temps à consacrer à une cible. Le système optique lui-même évolue dans le temps en raison des variations thermiques et dynamiques, soulignant davantage la nécessité d'observations spectrales simultanées.

« C'est pourquoi les planificateurs de WFIRST ont d'abord conçu le spectrographe de type IFS, " dit Rizzo. " Dans ce cas, PISCES a offert des informations sur 18 % de la bande passante, au lieu des 10 pour cent traditionnels qui avaient été démontrés au JPL sans IFS. POISSONS a montré qu'il pouvait permettre plus de science."

Même si l'équipe a démontré le contraste profond sur une plus grande partie de la bande passante visible à proche infrarouge, et ce faisant, élevé le niveau de préparation de la technologie, le travail reste, dit Avi Mandell, le scientifique du projet WFIRST IFS. "Le succès a ouvert toutes les nouvelles idées de suppression de la lumière des étoiles que nous voulons tester."