Ces images montrent le côté ensoleillé de la Terre dans 10 longueurs d'onde différentes de lumière qui tombent dans l'infrarouge, gammes visible et ultraviolette; les images sont en couleurs représentatives, car toutes ces longueurs d'onde ne sont pas visibles à l'œil humain. Chaque longueur d'onde met en évidence différentes caractéristiques de la planète - par exemple, le continent africain est visible sur l'image en bas à droite, mais est presque invisible dans l'image en haut à gauche. Ces observations ont été obtenues par l'instrument EPIC (Earth Polychromatic Imaging Camera) de la NASA à bord du Deep Space Climate Observatory de la National Oceanic and Atmospheric Administration. ou DSCOVR, Satellite, le 2 août, 2017. Crédit :NASA/NOAA
L'étude des exoplanètes - des planètes situées en dehors de notre système solaire - pourrait aider les scientifiques à répondre aux grandes questions sur notre place dans l'univers, et si la vie existe au-delà de la Terre. Mais, ces mondes lointains sont extrêmement faibles et difficiles à imager directement. Une nouvelle étude utilise la Terre comme substitut d'une exoplanète, et montre que même avec très peu de lumière - aussi peu qu'un pixel - il est toujours possible de mesurer les caractéristiques clés des mondes distants.
La nouvelle étude utilise les données de l'instrument EPIC (Earth Polychromatic Imaging Camera) de la NASA, qui est à bord de l'Observatoire du climat dans l'espace lointain de la National Oceanic and Atmospheric Administration, ou DSCOVR, Satellite. DSCOVR fait le tour du Soleil au point de Lagrange 1, une orbite spécifique qui fournit à EPIC une vue constante de la surface ensoleillée de notre planète natale. L'EPIC observe la Terre en continu depuis juin 2015, produire des cartes nuancées de la surface de la planète dans de multiples longueurs d'onde, et contribuer aux études sur le climat et le temps.
L'instrument EPIC capture la lumière réfléchie de la Terre dans 10 longueurs d'onde différentes, ou couleurs. Donc, à chaque fois qu'EPIC "prend une photo" de la Terre, il capture en fait 10 images. La nouvelle étude fait la moyenne de chaque image en une seule valeur de luminosité, ou l'équivalent d'une image "à un seul pixel" pour chaque longueur d'onde. Un seul, Un instantané d'un pixel de la planète fournirait très peu d'informations sur la surface. Mais dans la nouvelle étude, les auteurs ont analysé un ensemble de données contenant des images à un seul pixel prises plusieurs fois par jour, en 10 longueurs d'onde, sur une période prolongée. Malgré le fait que la planète entière ait été réduite à un seul point de lumière, les auteurs ont pu identifier des nuages d'eau dans l'atmosphère et mesurer le taux de rotation de la planète (la durée de son jour). Les auteurs disent que l'étude, dans le numéro du 27 juin du Journal d'astrophysique , démontre que la même information pourrait être dérivée d'observations à un seul pixel d'exoplanètes.
"L'avantage d'utiliser la Terre comme proxy pour une exoplanète est que nous pouvons vérifier nos conclusions dérivées des données à un seul pixel avec la richesse des données que nous avons réellement pour la Terre - nous ne pouvons pas le faire si nous utilisons des données d'un lointain, exoplanète réelle, " a déclaré Jonathan Jiang, un scientifique de l'atmosphère et du climat au Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, et auteur principal de la nouvelle étude.
L'illustration de cet artiste montre une image en couleurs améliorées de la Terre à partir de l'instrument EPIC (Earth Polychromatic Imaging Camera) de la NASA (en haut). EPIC observe la planète dans 10 bandes de longueurs d'onde, montré ici sous forme de 10 images en couleurs représentatives (au milieu). Une nouvelle étude fait la moyenne des données de chaque bande de longueur d'onde EPIC en une seule valeur de luminosité, ou l'équivalent d'une image "à un seul pixel". Cela a permis aux auteurs de l'étude de simuler des observations d'une exoplanète lointaine. Crédit :NASA/NOAA/JPL-Caltech
Un petit point de lumière
Quand la fille de Jiang, Thérèse, était à l'école primaire, il a organisé un événement d'observation des étoiles pour elle et ses amis. Jiang montra les étoiles, et dit à sa fille que le Soleil est aussi une étoile, et qu'il y a des planètes en orbite autour d'autres étoiles tout comme les planètes en orbite autour du Soleil. Elle a pressé son père pour plus d'informations, demandant comment les scientifiques pourraient éventuellement en apprendre davantage sur ces mondes lointains à partir de si petits points de lumière dans le ciel.
"Les enfants posent beaucoup de bonnes questions, " dit Jiang. " Et cette question m'est restée à l'esprit - si je peux voir une exoplanète comme un tout petit point de lumière, puis-je voir les nuages, les océans et la terre ?"
Jiang a commencé sa carrière en astrophysique, mais pour son doctorat. travail, il a décidé d'appliquer ses compétences en modélisation informatique et physique au climat de la Terre. Maintenant, il utilise des données climatiques pour aider à l'étude des exoplanètes. Les exoplanètes sont nettement plus sombres que les étoiles et beaucoup plus difficiles à détecter. Terre, par exemple, est environ 10 milliards de fois plus faible que le Soleil. Seulement environ 45 exoplanètes ont été découvertes par imagerie directe, qui sont tous beaucoup plus grands que la Terre. La majorité des exoplanètes connues (plus de 3, 700 ont été confirmés) ont été détectés indirectement, en utilisant des techniques telles que la méthode du transit, dans lequel les scientifiques observent la légère atténuation d'une étoile causée par le passage d'une exoplanète à travers la face de l'étoile.
Cette image montre le côté ensoleillé de la Terre, observé dans 10 longueurs d'onde par l'instrument EPIC à bord du satellite DSCOVR. Chaque image montre le même instantané de la Terre dans une longueur d'onde différente. Les bandes de longueurs d'onde spécifiques sont indiquées au-dessus de chaque image. Crédit :NASA/NOAA
L'instrument EPIC capture la lumière réfléchie du côté ensoleillé de la Terre dans 10 longueurs d'onde différentes, ou couleurs, parce que différents matériaux reflètent différentes longueurs d'onde de la lumière à différents degrés - les plantes, par exemple, reflètent principalement la lumière verte. Et une planète rougeâtre comme Mars, par exemple, aurait un profil de couleur très différent par rapport à une planète recouverte de glace.
La nouvelle étude montre qu'en observant une planète avec des caractéristiques distinctes au fil du temps, telles que les océans et les continents, il est possible de mesurer le taux de rotation de la planète en observant un motif répétitif dans la lumière réfléchie. Ce modèle découlerait de ces caractéristiques planétaires se déplaçant en vue avec une cadence régulière. Par exemple, toutes les 24 heures, L'Australie et l'océan Pacifique remplissent le champ de vision de l'EPIC, et environ 12 heures plus tard, l'Amérique du Sud et l'Atlantique remplissent le cadre, avec l'Afrique et l'océan Indien passant entre les deux. Ce modèle de lumière changeante se répéterait jour après jour. Dans le nouveau journal, les auteurs montrent qu'ils peuvent détecter ce cycle répétitif et ainsi déterminer le taux de rotation, ou la durée du jour de la planète. Le taux de rotation d'une planète peut révéler des informations sur comment et quand la planète s'est formée, et est une propriété particulièrement difficile à mesurer avec les méthodes actuelles.
"Les gens parlent depuis un certain temps d'utiliser cette approche pour mesurer le taux de rotation des exoplanètes, mais il n'y a eu aucune démonstration que cela pouvait fonctionner parce que nous n'avions pas de données réelles, " dit Renyu Hu, un scientifique des exoplanètes au JPL et co-auteur de la nouvelle étude. "Nous avons montré que dans chaque longueur d'onde, la période de 24 heures apparaît, ce qui signifie que cette approche pour mesurer la rotation des planètes est robuste."
Les auteurs notent, cependant, que l'efficacité de cette méthode dépendrait des caractéristiques uniques de la planète. Un modèle de cycle quotidien pourrait ne pas être visible sur une planète largement homogène à sa surface. Vénus, par exemple, est couvert de nuages épais et n'a pas d'océan à sa surface, donc un motif récurrent d'une journée peut ne pas apparaître, ou peut ne pas être suffisamment distinct pour être observé dans une image d'un pixel. Des planètes comme Mercure et Mars seraient également difficiles, mais Jiang a déclaré que les caractéristiques planétaires comme les cratères pourraient également contribuer à un modèle qui pourrait être utilisé pour mesurer la période de rotation.
Cette animation montre une série d'observations prises par l'instrument EPIC dans l'une des 10 longueurs d'onde. A cette longueur d'onde, la distinction entre continents et océans est particulièrement visible. Le motif répétitif créé par la rotation de la planète pourrait être observable par un puissant télescope observant la planète à de nombreuses années-lumière, selon une nouvelle étude. Crédit :NASA/NOAA
Imagerie des exoplanètes
Des études antérieures ont utilisé la Terre comme proxy pour les exoplanètes, pour étudier quels types de propriétés planétaires pourraient être dérivées de loin, mais aucune étude précédente n'a examiné autant de bandes de longueur d'onde. Il s'agit également de la première étude de ce type à saisir un ensemble de données aussi volumineux, prises sur une longue période :elle a utilisé plus de 27 mois d'observations, avec des images prises par EPIC environ 13 fois par jour.
Les observations directes d'exoplanètes ont beaucoup moins de données que ce qui a été utilisé dans la nouvelle étude, mais les chercheurs rapportent que pour mesurer le taux de rotation d'une exoplanète avec plus de 90 % de confiance, il faudrait prendre des images seulement deux à trois fois par période orbitale (c'est-à-dire, par "jour" sur cette exoplanète particulière) pendant environ sept périodes orbitales.
Cette image, prise par le vaisseau spatial Voyager 1 de la NASA au-delà de l'orbite de Neptune, montre la planète Terre vue à environ 5,9 milliards de kilomètres de distance. La Terre apparaît comme un tout petit point lumineux dans la moitié droite de l'image, indiqué par une flèche. Surnommé le « point bleu pâle », " l'image illustre à quel point une planète de la taille de la Terre apparaît de loin. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Le temps dont les astronomes devraient disposer pour observer une exoplanète pour identifier son taux de rotation dépend également de la quantité de lumière indésirable incluse dans les données de l'exoplanète. Les données EPIC offrent une vue exceptionnellement claire de la Terre, largement libre de la lumière provenant d'autres sources. Mais l'un des principaux défis de l'imagerie directe des exoplanètes est qu'elles sont tellement plus sombres que leurs étoiles mères. La lumière de l'étoile voisine peut facilement noyer la lumière d'une exoplanète, rendant ce dernier invisible. Avec le signal de la planète rivalisant avec la lumière de l'étoile, il faudra peut-être plus de temps pour discerner un modèle qui pourrait révéler le taux de rotation de la planète. La NASA étudie des conceptions potentielles de télescopes de nouvelle génération qui pourraient être capables d'imager directement des exoplanètes de la taille de la Terre.
Avec l'avancée du domaine de l'imagerie directe des exoplanètes, Jiang n'a pas fini de penser à la question que sa fille lui a posée il y a plus de dix ans. Si les scientifiques peuvent en apprendre davantage sur les caractéristiques de surface des planètes lointaines, pourraient-ils alors répondre à une question encore plus importante posée par sa fille :est-ce que l'une de ces planètes héberge la vie ?
