Ce mois-ci marque le troisième anniversaire de la découverte d'un système remarquable de sept planètes connu sous le nom de TRAPPIST-1. Ces sept rochers, Des mondes de la taille de la Terre orbitent autour d'une étoile ultra-froide à 39 années-lumière de la Terre. Trois de ces planètes sont dans la zone habitable, ce qui signifie qu'ils sont à la bonne distance orbitale pour être suffisamment chauds pour que de l'eau liquide existe sur leurs surfaces. Après son lancement en 2021, Le télescope spatial James Webb de la NASA observera ces mondes dans le but de réaliser la première étude détaillée dans le proche infrarouge de l'atmosphère d'une planète de la zone habitable.

Pour trouver des signes d'une atmosphère, les astronomes utiliseront une technique appelée spectroscopie de transmission. Ils observent l'étoile hôte pendant que la planète traverse la face de l'étoile, connu sous le nom de transit. La lumière de l'étoile filtre à travers l'atmosphère de la planète, qui absorbe une partie de la lumière des étoiles et laisse des empreintes digitales révélatrices dans le spectre de l'étoile.

Trouver une atmosphère autour d'une exoplanète rocheuse – le mot que les scientifiques utilisent pour les planètes situées au-delà de notre système solaire – ne sera pas facile. Leurs atmosphères sont plus compactes que celles des géantes gazeuses, tandis que leur plus petite taille signifie qu'ils interceptent moins de lumière de l'étoile. TRAPPIST-1 est l'une des meilleures cibles disponibles pour Webb puisque l'étoile elle-même est également assez petite, ce qui signifie que la taille des planètes par rapport à l'étoile est plus grande.

"Les atmosphères sont plus difficiles à détecter mais la récompense est plus élevée. Ce serait très excitant de faire la première détection d'une atmosphère sur une planète de la taille de la Terre, " a déclaré David Lafrenière de l'Université de Montréal, chercheur principal de l'une des équipes examinant TRAPPIST-1.

Les étoiles naines rouges comme TRAPPIST-1 ont tendance à avoir des explosions violentes qui pourraient rendre les planètes TRAPPIST-1 inhospitalières. Mais déterminer s'ils ont des atmosphères, et si oui, de quoi ils sont faits, est la prochaine étape pour découvrir si la vie telle que nous la connaissons pourrait survivre sur ces mondes lointains.

Un effort coordonné

Plus d'une équipe d'astronomes étudiera le système TRAPPIST-1 avec Webb. Ils prévoient d'utiliser une variété d'instruments et de modes d'observation pour découvrir autant de détails que possible pour chaque planète du système.

"C'est un effort coordonné car aucune équipe ne pouvait faire tout ce que nous voulions faire avec le système TRAPPIST-1. Le niveau de coopération a été vraiment spectaculaire, " a expliqué Nikole Lewis de l'Université Cornell, l'investigateur principal de l'une des équipes.

"Avec sept planètes au choix, nous pouvons chacun avoir une part du gâteau, " a ajouté Lafrenière.

Le programme de Lafrenière ciblera TRAPPIST-1d et -1f dans le but non seulement de détecter une atmosphère, mais déterminer sa composition de base. Ils s'attendent à pouvoir distinguer entre une atmosphère dominée par la vapeur d'eau, ou un composé principalement d'azote (comme la Terre) ou de dioxyde de carbone (comme Mars et Vénus).

Le programme de Lewis observera TRAPPIST-1e avec des objectifs similaires. TRAPPIST-1e est l'une des planètes au-delà de notre système solaire qui a le plus en commun avec la Terre en termes de densité et de quantité de rayonnement qu'elle reçoit de son étoile. Cela en fait un excellent candidat pour l'habitabilité, mais les scientifiques doivent en savoir plus pour le savoir.

Une grande variété de planètes

Alors que les planètes TRAPPIST-1 présentent un attrait particulier du point de vue de l'habitabilité potentielle, Le programme de Lafrenière ciblera une variété de planètes, des rocheuses aux mini-Neptunes en passant par les géantes gazeuses de la taille de Jupiter, à diverses distances de leurs étoiles. L'objectif est d'en savoir plus sur comment, et où, ces planètes se forment.

En particulier, les astronomes continuent de débattre de la façon dont les planètes gazeuses peuvent être trouvées très près de leurs étoiles. La plupart pensent qu'une telle planète doit s'être formée plus loin dans le disque protoplanétaire - le disque autour d'une étoile où naissent les planètes - puisque plus de matière est disponible loin de l'étoile, puis a migré vers l'intérieur. Cependant, d'autres scientifiques pensent que même de grandes géantes gazeuses peuvent se former relativement près de leur étoile.

"Aussi, peut-être qu'ils se sont formés plus loin, mais combien plus loin ?" demanda Lewis.

Pour éclairer le débat, les astronomes examineront le rapport carbone/oxygène dans un assortiment d'exoplanètes. Ce rapport peut servir de traceur de l'endroit où une planète s'est formée, car il varie avec la distance de l'étoile.

Cartes météo

En plus d'examiner les planètes par spectroscopie de transmission, les équipes emploieront également une technique connue sous le nom de courbe de phase. Il s'agit d'observer une planète sur toute une orbite, ce qui n'est pratique que pour les mondes les plus chauds avec les périodes orbitales les plus courtes.

Une planète qui tourne très près de son étoile devient bloquée par la marée, ce qui signifie qu'il montre toujours le même visage à l'étoile, comme la Lune fait à la Terre. Par conséquent, les observateurs lointains observant la planète la verront passer par différentes phases, puisque différents côtés de la planète sont visibles à différents points de son orbite.

En mesurant la planète à différents moments, les astronomes peuvent dresser une carte de la température atmosphérique en fonction de la longitude. Cette technique a été mise au point par le télescope spatial Spitzer de la NASA, qui a fait la première "carte météorologique" d'une exoplanète en 2007.

En outre, en observant la propre émission de chaleur de la planète, les astronomes peuvent modéliser la structure verticale de l'atmosphère.

"Avec une courbe de phase, nous pouvons construire un modèle 3D complet de l'atmosphère d'une planète, " a expliqué Lafrenière.

Ce travail est mené dans le cadre d'un programme Webb d'observations à temps garanti (GTO). Ce programme est conçu pour récompenser les scientifiques qui ont contribué au développement des composants matériels et logiciels clés ou des connaissances techniques et interdisciplinaires pour l'observatoire.