Demandez à la plupart des gens ce dont ils auraient besoin pour trouver des planètes en orbite autour d'étoiles lointaines, et très peu énuméreront une bouteille d'iode.

Pourtant, cet élément joue un rôle vital dans la recherche de planètes extrasolaires (exoplanètes) sous la forme de dispositifs appelés « cellules d'absorption d'iode » :des cylindres de verre scellés de la taille d'une boîte de soupe contenant un fin gaz de molécules d'iode.

Les propriétés optiques du gaz - méticuleusement mesurées au National Institute of Standards and Technology (NIST) - servent de référence invariable pour détecter les fluctuations de la lumière des étoiles distantes causées par les planètes en orbite. L'analyse de ces fluctuations a été responsable de la découverte de plus de 500 exoplanètes à ce jour.

Chaque cellule doit être soigneusement calibrée individuellement. "Je viens ici depuis 15 ans, faire exactement cela", a déclaré le célèbre chasseur d'exoplanètes Paul Butler de la Carnegie Institution de Washington, créateur de la cellule à l'iode originale. Il apporte ses cellules au NIST pour étalonnage tous les deux ans, le plus récemment début octobre, 2017—pour les faire vérifier avec le spectromètre à transformée de Fourier (FTS) du NIST, qui mesure les détails spectraux avec une précision extrêmement élevée.

L'instrument, qui se trouve à l'intérieur d'une chambre à vide aussi grande qu'une camionnette de livraison, "est toujours le meilleur FTS au monde, " a déclaré Butler.

Le FTS est utilisé pour de nombreuses applications, y compris la prise en charge de l'une des deux principales méthodes de détection des exoplanètes. La première consiste à observer une étoile et à voir si son flux lumineux diminue périodiquement chaque fois qu'une planète passe devant elle. Ce genre d'alignement est rare, et mieux vu à partir d'instruments spatiaux tels que le télescope Kepler.

Les étalonnages NIST ont un impact sur l'autre méthode, qui repose sur l'effet Doppler. C'est ce qui fait monter le ton d'une sirène d'ambulance lorsqu'elle vient vers toi, et tombe en s'éloignant. Le même effet qui se produit dans les ondes sonores peut étirer ou comprimer les ondes électromagnétiques qui composent le spectre de la lumière provenant d'une étoile lorsqu'elle s'approche ou s'éloigne de la Terre.

Pourquoi une star bougerait-elle comme ça ? La raison en est qu'il n'est pas tout à fait vrai de dire qu'une planète est en orbite autour d'une étoile. En réalité, les deux tournent autour de leur centre de masse commun. (Voir animation.) Plus la planète est massive, plus le mouvement de l'étoile est grand. Quand l'étoile se dirige vers la Terre, le spectre de l'étoile est décalé vers des longueurs d'onde plus courtes (plus bleues) ; quand il s'éloigne, le spectre est étiré vers des longueurs d'onde plus longues (plus rouges). En mesurant la quantité et la fréquence de ces décalages Doppler, les scientifiques peuvent déterminer l'existence d'une planète à 100 années-lumière ou plus et calculer sa masse.

Mais les effets sont extrêmement faibles. Par exemple, L'attraction gravitationnelle de la Terre provoque le Soleil - avec une masse 333, 000 fois plus grand, et un volume 1,3 million de fois plus grand - pour se déplacer d'environ 10 centimètres (4 pouces) par seconde. Les astronomes ne peuvent pas mesurer un si petit effet, mais ils peuvent mesurer les étoiles se déplaçant à seulement 1 mètre (39 pouces) par seconde. Si, C'est, ils ont quelque chose pour le mesurer.

"La spectroscopie Doppler est un moyen très flexible de détecter les planètes, " a déclaré Gillian Nave, physicienne du NIST, qui gère l'exploitation du FTS. "Mais tout bouge la star, La terre, votre télescope. Donc, ce dont vous avez besoin, c'est de quelque chose de fiable, référence fixe. Nous devons être capables de mesurer le décalage Doppler de la lumière de l'étoile à quelques parties d'un milliard. Vous parlez d'une énorme étoile se déplaçant à la vitesse de quelqu'un qui marche."

Une façon de le faire est de comparer les variations de la lumière de l'étoile à un spectre de référence bien défini, fourni par la lumière émise par des lampes spéciales – souvent calibrées au NIST – puis acheminée dans l'instrument de mesure par fibre optique.

L'autre voie utilise des cellules à l'iode. Placé entre un télescope et un spectrographe, les molécules d'iode absorbent des longueurs d'onde spécifiques, en les soustrayant de la lumière entrante de l'étoile. Ce spectre d'absorption, qui est connu exactement grâce à l'étalonnage , ne change pas tandis que les décalages Doppler se produisent dans la lumière de l'étoile au fil du temps. Une fois calibré, une cellule peut servir de référence sur le télescope pendant des décennies.

L'iode est bien adapté à la tâche car il n'a qu'un seul isotope naturel, donne des lignes très nettes, et absorbe les longueurs d'onde dans la gamme visible du vert à l'orange où le mouvement stellaire est facilement détectable. "C'est juste cette incroyable forêt intense de milliers de lignes, " a déclaré Butler.

Au FTS du NIST, la lumière de l'étoile est remplacée par la lumière d'une lampe au xénon à haute intensité, produisant un spectre de lumière blanche sans lignes nettes. Tous les détails spectraux résultent de l'absorption d'iode, pas la source d'arrière-plan. La lumière source est filtrée jusqu'à la région des raies d'iode, réduire le bruit dans le résultat final. Il traverse ensuite la cellule jusqu'au FTS, qui peut enregistrer les positions des raies spectrales à quelques parties dans un milliard. Chaque cellule prend environ 30 minutes à mesurer. Des cellules caractérisées par le NIST ont été envoyées vers des télescopes à Hawaï, Chili, et l'Australie, avec certaines des nouvelles cellules allant à un télescope en Afrique du Sud.

"Je ne sais pas exactement combien de planètes j'ai découvertes, " Butler a dit, "c'est plusieurs centaines." Et il en cherche toujours plus sur divers télescopes équipés de ses cellules d'absorption d'iode.

"Mais, " il a dit, "ces choses ne fonctionnent pas sans la magie de Gillian."