En pensant aux découvertes d'exoplanètes semblables à la Terre, le télescope spatial Kepler vient immédiatement à l'esprit. Encore, il n'y a pas que Kepler, mais aussi des informations au sol du spectrographe HARPS-N, qui a permis au consortium ETAEARTH d'obtenir des informations sur ces planètes avec un degré de précision jamais atteint auparavant.

Une initiative conjointe entre l'Europe et les États-Unis, ETAEARTH (Mesure Eta_Earth :Caractérisation des Systèmes Planétaires Terrestres avec Kepler, HARPS-N, et Gaïa), a été chargé de mesurer les masses dynamiques des planètes candidates découvertes par la mission Kepler. Le projet livré au-delà des attentes, étant responsable de la plupart des découvertes de planètes semblables à la Terre faites au cours des cinq dernières années.

Dr Alessandro Sozzetti, coordinateur du projet et chercheur à l'Institut National d'Astrophysique en Italie, discute des résultats du projet.

De nombreuses recherches en cours sont consacrées aux analogues de la Terre. Qu'est-ce qui distingue ETAEARTH ?

Au cours des cinq années du projet, ETAEARTH a combiné la fantastique précision photométrique des missions Kepler et K2 de la NASA et la qualité inégalée des mesures de vitesse radiale au sol avec le spectrographe HARPS-N sur le Telescopio Nazionale Galileo (TNG) italien dans les îles Canaries. Il s'agissait de déterminer les propriétés physiques des planètes extrasolaires terrestres en orbite autour d'étoiles de taille similaire ou inférieure à celle du Soleil, avec une précision sans précédent.

Les scientifiques de l'ETAEARTH avaient un avantage considérable sur les autres équipes de recherche car nous avions accès à un programme remarquable d'observations en temps garanti (GTO) avec HARPS-N@TNG, pour un total de 400 nuits d'observation sur cinq ans. Un investissement aussi important en temps de télescope a été la clé des succès spectaculaires du projet.

Quelle est la valeur ajoutée de la combinaison des données KEPLER et HARPS-N ?

Kepler et K2 exploitent la technique des transits planétaires :ils mesurent l'inclinaison de la lumière d'une étoile lorsqu'une planète la traverse, révélant la taille de la planète. HARPS-N, d'autre part, mesure les changements de vitesse de l'étoile dus à l'attraction gravitationnelle d'une planète en orbite, permettant de déterminer sa masse.

De la combinaison de ces deux observations, nous pouvons calculer la densité de la planète et déterminer sa composition en vrac (par exemple, rocheux, riche en eau, riche en gaz, etc.) avec une grande précision.

Pouvez-vous nous en dire plus sur votre méthodologie ?

ETAEARTH a soigneusement sélectionné les exoplanètes candidates Kepler et K2 à petit rayon en fonction de leurs chances de mesurer leur masse avec précision avec HARPS-N. Nous avons ensuite conçu des stratégies d'observation adaptatives adaptées à chaque système, en fonction par exemple de l'amplitude du signal recherché avec HARPS-N et de la période orbitale du candidat.

Une fois une campagne d'observation pour une cible donnée terminée, nous avons déterminé avec précision les paramètres physiques fondamentaux de l'étoile centrale, c'est-à-dire sa masse et son rayon - car seule une connaissance précise de ces quantités nous permet de dériver des estimations précises des paramètres planétaires.

L'étape suivante de notre méthodologie impliquait une analyse combinée sophistiquée des données Kepler/K2 et HARPS-N disponibles pour dériver tous les paramètres orbitaux et physiques du système (pour les planètes en transit simples et multiples). Finalement, nos mesures des densités planétaires ont été comparées aux prédictions de la théorie pour étayer la composition réelle de la ou des planètes.

Quelles ont été les principales difficultés que vous avez rencontrées dans ce processus et comment les avez-vous surmontées ?

Le plus grand défi auquel nous devions faire face résultait de la gestion de l'activité stellaire. Ce phénomène, produit principalement par des taches à la surface de l'étoile qui entrent et disparaissent lorsque l'étoile tourne (tout comme notre Soleil), introduit des complications dans l'interprétation des données – en particulier celles recueillies avec HARPS-N. Il peut parfois masquer entièrement ou même imiter un signal planétaire. Alors tu penses voir une planète, mais vous mesurez plutôt avec précision l'étoile qui agit !

Notre courbe d'apprentissage était raide, mais finalement nous avons réussi, en utilisant une double approche :d'abord, nous avons adapté nos stratégies d'observation avec HARPS-N pour nous assurer de pouvoir échantillonner suffisamment bien les signaux stellaires et planétaires. Avec la meilleure distribution temporelle possible de nos observations, nous avons ensuite développé des outils d'analyse sophistiqués qui nous ont permis de démêler efficacement les signaux planétaires et ceux produits par l'activité stellaire.

Selon vous, quelles ont été vos découvertes les plus importantes ?

Nous avons pu en apprendre pour la première fois sur la physique des intérieurs de ces objets. Nous avons notamment déterminé avec une grande précision (20 % ou mieux) la composition de 70 % des planètes actuellement connues avec des masses comprises entre une et six fois celle de la Terre et avec une composition rocheuse similaire à celle de la Terre.

Parmi ceux-ci, nous avons découvert Kepler-78b, le premier objet planétaire qui a une masse similaire, rayon et densité à la Terre. Nous avons également trouvé les deux planètes rocheuses en transit les plus proches, en orbite autour de l'étoile de type solaire HD219134 à seulement 21 années-lumière. Cet échantillon d'or de planètes avec des paramètres bien contraints nous a permis de déduire que toutes les planètes denses avec des masses inférieures à six masses terrestres (y compris la Terre et Vénus) sont bien décrites par exactement la même composition rocheuse (en termes techniques, le même rapport fixe de fer au silicate de magnésium).

Notamment, ETAEARTH fournit les toutes premières contraintes sur la densité de K2-3d, une planète dans un système à transits multiples qui est similaire à la Terre en masse et orbite dans la zone habitable de l'étoile connue à ce jour pour être la plus proche en masse du Soleil. K2-3d semble appartenir à la classe encore insaisissable des « mondes aquatiques », avec une densité légèrement inférieure à celle de la Terre.

Finalement, en utilisant les informations de l'échantillon complet d'objets trouvés par Kepler, nous avons déterminé qu'une étoile de type solaire sur cinq héberge une planète semblable à la Terre, c'est-à-dire un objet de taille similaire à la Terre en orbite dans la zone habitable de son étoile mère de type solaire.

Quels sont vos plans de suivi, si seulement?

Nos plans post-ETAEARTH se concentreront principalement sur l'exploitation de l'énorme potentiel qui est sur le point d'être libéré par le nouvel acteur important dans l'arène des exoplanètes, La mission TESS de la NASA qui a été lancée avec succès il y a quelques semaines à peine.

TESS trouvera des planètes en transit sur la majeure partie du ciel observable avec des rayons pas beaucoup plus grands que ceux de la Terre, et autour d'étoiles typiquement cinq à dix fois plus brillantes que celles observées par Kepler. Certaines de ces petites planètes orbiteront à des distances de la zone habitable de leurs étoiles centrales (généralement de masse inférieure à celle du Soleil).

Nous prévoyons d'investir de grandes quantités de ressources d'observation des deux hémisphères tout en continuant à utiliser HARPS-N et le nouveau chasseur de planètes européen de très haute précision ESPRESSO sur le Very Large Telescope dans les Andes chiliennes afin de mesurer les masses et les densités des meilleurs candidats fournis par TESS. Faire cela pourrait augmenter considérablement l'échantillon de cibles optimales se prêtant à des enquêtes sur leurs atmosphères.