Alors que nous connaissons maintenant des milliers d'exoplanètes – des planètes autour d'autres étoiles – la grande majorité de nos connaissances est indirecte. C'est-à-dire, les scientifiques n'ont pas pris beaucoup de photos d'exoplanètes, et en raison des limites de la technologie actuelle, nous ne pouvons voir ces mondes que comme des points de lumière. Cependant, le nombre d'exoplanètes qui ont été directement imagées augmente au fil du temps. Lorsque le télescope spatial James Webb de la NASA sera lancé en 2021, il ouvrira une nouvelle fenêtre sur ces exoplanètes, les observer dans des longueurs d'onde auxquelles ils n'ont jamais été vus auparavant et acquérir de nouvelles connaissances sur leur nature.

Les exoplanètes sont proches d'étoiles beaucoup plus brillantes, ainsi leur lumière est généralement submergée par la lumière des étoiles hôtes. Les astronomes trouvent généralement une exoplanète en déduisant sa présence en fonction de l'atténuation de la lumière de son étoile hôte lorsque la planète passe devant l'étoile - un événement appelé "transit". Parfois une planète tire sur son étoile, faisant vaciller légèrement l'étoile.

Dans quelques cas, les scientifiques ont capturé des images d'exoplanètes à l'aide d'instruments appelés coronographes. Ces appareils bloquent l'éblouissement de l'étoile de la même manière que vous pourriez utiliser votre main pour bloquer la lumière du soleil. Cependant, trouver des exoplanètes avec cette technique s'est avéré très difficile. Tout cela va changer avec la sensibilité de Webb. Ses coronographes embarqués permettront aux scientifiques de visualiser les exoplanètes à des longueurs d'onde infrarouges dans lesquelles ils ne les ont jamais vues auparavant.

Les capacités uniques de Webb

Les coronagraphes ont quelque chose d'important en commun avec les éclipses. Lors d'une éclipse, la Lune bloque la lumière du Soleil, nous permettant de voir des étoiles qui seraient normalement submergées par l'éclat du soleil. Les astronomes en ont profité lors de l'éclipse de 1919, Il y a 100 ans, le 29 mai, afin de tester la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein. De la même manière, un coronographe agit comme une "éclipse artificielle" pour bloquer la lumière d'une étoile, permettant de voir des planètes qui seraient autrement perdues dans l'éclat de l'étoile.

"La plupart des planètes que nous avons détectées jusqu'à présent sont environ 10, 000 à 1 million de fois plus faible que leur étoile hôte, " a expliqué Sasha Hinkley de l'Université d'Exeter. Hinkley est le chercheur principal de l'un des premiers programmes d'observation de Webb pour étudier les exoplanètes et les systèmes exoplanétaires.

"Il y a, sans aucun doute, une population de planètes plus faibles que cela, qui ont des rapports de contraste plus élevés, et sont peut-être plus éloignés de leurs étoiles, " dit Hinkley. " Avec Webb, nous pourrons voir des planètes qui ressemblent plus à 10 millions, ou avec optimisme, 100 millions de fois plus faible." Pour observer leurs cibles, l'équipe utilisera l'imagerie à contraste élevé, qui discerne cette grande différence de luminosité entre la planète et l'étoile.

Webb aura la capacité d'observer ses cibles dans l'infrarouge moyen, qui est invisible à l'œil humain, mais avec une sensibilité largement supérieure à tout autre observatoire jamais construit. Cela signifie que Webb sera sensible à une classe de planète non encore détectée. Spécifiquement, Des planètes semblables à Saturne à des séparations orbitales très larges de leur étoile hôte peuvent être à portée de Webb.

"Notre programme s'adresse aux jeunes, planètes nouvellement formées et les systèmes qu'elles habitent, " a expliqué la co-chercheuse principale Beth Biller de l'Université d'Édimbourg. " Webb va nous permettre de le faire de manière beaucoup plus détaillée et à des longueurs d'onde que nous n'avons jamais explorées auparavant. Cela va donc être vital pour comprendre comment ces objets se forment, et à quoi ressemblent ces systèmes."

Tester les eaux

Les observations de l'équipe feront partie du programme Director's Discretionary-Early Release Science, ce qui donne du temps aux projets sélectionnés au début de la mission du télescope. Ce programme permet à la communauté astronomique d'apprendre rapidement comment utiliser au mieux les capacités de Webb, tout en produisant une science solide.

"Avec notre programme ERS, nous allons vraiment « tester les eaux » pour comprendre les performances de Webb, " a déclaré Hinkley. " Nous avons vraiment besoin de la meilleure compréhension des instruments, de la stabilité, moyen le plus efficace de post-traiter les données. Nos observations vont indiquer à notre communauté la manière la plus efficace d'utiliser Webb."

Les cibles

L'équipe de Hinkley utilisera les quatre instruments de Webb pour observer trois cibles :une exoplanète récemment découverte; un objet qui est soit une exoplanète, soit une naine brune ; et un anneau bien étudié de poussière et de planétésimaux en orbite autour d'une jeune étoile.

• Exoplanète HIP 65426b :Cette nouvellement découverte, exoplanète directement imagée a une masse entre six et 12 fois celle de Jupiter et est en orbite autour d'une étoile qui est plus chaude et environ deux fois plus massive que notre Soleil. L'exoplanète est environ 92 fois plus éloignée de son étoile que la Terre ne l'est du Soleil. La grande séparation de cette jeune planète de son étoile signifie que les observations de l'équipe seront beaucoup moins affectées par l'éclat brillant de l'étoile hôte. Hinkley et son équipe prévoient d'utiliser la suite complète de coronographes de Webb pour visualiser cette cible.
• Compagnon de masse planétaire VHS 1256b :Un objet quelque part autour de la frontière planète/naine brune, VHS 1256b est également largement séparé de son étoile hôte naine rouge, soit environ 100 fois la distance entre la Terre et le Soleil. En raison de sa large séparation, les observations de cet objet sont beaucoup moins susceptibles d'être affectées par la lumière indésirable de l'étoile hôte. En plus de l'imagerie à contraste élevé, l'équipe s'attend à obtenir l'un des premiers spectres "non corrompus" d'un corps semblable à une planète à des longueurs d'onde où ces objets n'ont jamais été étudiés auparavant.
• Disque de débris circumstellaires :Depuis plus de 20 ans, les scientifiques ont étudié un anneau de poussière et de planétésimaux en orbite autour d'une jeune étoile appelée HR 4796A, qui est environ deux fois plus massive que notre propre Soleil. Les astronomes pensent que la plupart des systèmes planétaires ressemblaient probablement beaucoup au HR 4796A et à son anneau de débris à leur plus jeune âge, ce qui en fait une cible particulièrement intéressante à étudier. L'équipe utilisera l'imagerie à contraste élevé des coronographes de Webb pour visualiser le disque dans différentes longueurs d'onde. Leur objectif est de voir si les structures du disque sont différentes d'une longueur d'onde à l'autre.

Planification du programme

Pour planifier ce programme Early Release Science, Hinkley a posé au plus grand nombre possible de membres de la communauté astronomique la question simple :si vous souhaitez planifier une enquête pour rechercher des exoplanètes, Quelles sont les questions auxquelles vous avez besoin de réponses pour planifier vos enquêtes ?

"Ce que nous avons proposé, c'est un ensemble d'observations qui, selon nous, vont [to] répondre à ces questions. Nous allons dire à la communauté que c'est ainsi que Webb fonctionne dans ce mode, c'est le genre de sensibilité que nous obtenons, et c'est le genre de contraste que nous obtenons. Et il faut rapidement renverser la vapeur et informer la communauté pour qu'elle prépare vraiment ses propositions, très vite."

L'équipe est ravie de voir ses cibles dans des longueurs d'onde jamais détectées auparavant, et de partager leurs connaissances. Selon Biller, « Nous pouvions voir il y a des années que pour certaines des planètes que nous avons déjà découvertes, Webb serait vraiment transformationnel."

Le télescope spatial James Webb sera le premier observatoire mondial des sciences spatiales lors de son lancement en 2021. Webb résoudra les mystères de notre système solaire, regarder au-delà des mondes lointains autour d'autres étoiles, et sonder les structures et les origines mystérieuses de notre univers et notre place dans celui-ci. Webb est un programme international mené par la NASA avec ses partenaires, ESA (Agence spatiale européenne) et l'Agence spatiale canadienne.