Le télescope d'enquête infrarouge à grand champ de la NASA (WFIRST) recherchera des planètes en dehors de notre système solaire vers le centre de notre galaxie de la Voie lactée, où se trouvent la plupart des étoiles. L'étude des propriétés des mondes exoplanétaires nous aidera à comprendre à quoi ressemblent les systèmes planétaires de la galaxie et comment les planètes se forment et évoluent.

La combinaison des découvertes de WFIRST avec les résultats des missions Kepler et Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA complétera le premier recensement planétaire sensible à un large éventail de masses et d'orbites planétaires, nous rapprochant un peu plus de la découverte de mondes habitables semblables à la Terre au-delà du nôtre.

À ce jour, les astronomes ont trouvé la plupart des planètes lorsqu'elles passent devant leur étoile hôte lors d'événements appelés transits, qui atténuent temporairement la lumière de l'étoile. Les données WFIRST peuvent également repérer les transits, mais la mission surveillera principalement l'effet inverse - de petites poussées de rayonnement produites par un phénomène de courbure de la lumière appelé microlentille. Ces événements sont beaucoup moins fréquents que les transits car ils reposent sur l'alignement aléatoire de deux étoiles largement séparées et indépendantes qui dérivent dans l'espace.

« Les signaux de microlentille provenant de petites planètes sont rares et brefs, mais ils sont plus forts que les signaux d'autres méthodes, " a déclaré David Bennett, qui dirige le groupe de microlentilles gravitationnelles au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland. "Comme il s'agit d'un événement sur un million, la clé pour que WFIRST trouve des planètes de faible masse est de rechercher des centaines de millions d'étoiles."

En outre, la microlentille est meilleure pour trouver des planètes dans et au-delà de la zone habitable - les distances orbitales où les planètes pourraient avoir de l'eau liquide à leur surface.

Microlentille 101

Cet effet se produit lorsque la lumière passe à proximité d'un objet massif. Tout ce qui a de la masse déforme le tissu de l'espace-temps, un peu comme la bosse qu'une boule de bowling fait lorsqu'elle est posée sur un trampoline. La lumière voyage en ligne droite, mais si l'espace-temps est courbé - ce qui arrive près de quelque chose de massif, comme une étoile, la lumière suit la courbe.

Chaque fois que deux étoiles s'alignent étroitement de notre point de vue, la lumière des courbes d'étoiles les plus éloignées lorsqu'elle voyage à travers l'espace-temps déformé de l'étoile la plus proche. Ce phénomène, l'une des prédictions de la théorie de la relativité générale d'Einstein, a été confirmée par le physicien britannique Sir Arthur Eddington lors d'une éclipse totale de soleil en 1919. Si l'alignement est particulièrement proche, l'étoile la plus proche agit comme une lentille cosmique naturelle, focalisant et intensifiant la lumière de l'étoile d'arrière-plan.

Les planètes en orbite autour de l'étoile au premier plan peuvent également modifier la lumière lentille, agissant comme leurs propres minuscules lentilles. La distorsion qu'ils créent permet aux astronomes de mesurer la masse de la planète et la distance de son étoile hôte. C'est ainsi que WFIRST utilisera la microlentille pour découvrir de nouveaux mondes.

Mondes familiers et exotiques

"Essayer d'interpréter les populations de la planète aujourd'hui, c'est comme essayer d'interpréter une image dont la moitié est couverte, " a déclaré Matthew Penny, un professeur adjoint de physique et d'astronomie à la Louisiana State University à Baton Rouge qui a dirigé une étude pour prédire les capacités d'enquête par microlentille de WFIRST. "Pour bien comprendre comment se forment les systèmes planétaires, nous devons trouver des planètes de toutes masses à toutes les distances. Aucune technique ne peut le faire, mais l'enquête sur les microlentilles de WFIRST, combinés aux résultats de Kepler et TESS, révélera beaucoup plus de l'image. "

Plus de 4, 000 exoplanètes confirmées ont été découvertes à ce jour, mais seulement 86 ont été trouvés par microlentille. Les techniques couramment utilisées pour trouver d'autres mondes sont biaisées en faveur de planètes qui ont tendance à être très différentes de celles de notre système solaire. Le mode transit, par exemple, est le meilleur pour trouver des planètes de type sous-Neptune qui ont des orbites beaucoup plus petites que celle de Mercure. Pour un système solaire comme le nôtre, les études sur les transports en commun pourraient manquer toutes les planètes.

L'enquête sur les microlentilles de WFIRST nous aidera à trouver des analogues à chaque planète de notre système solaire, à l'exception de Mercure, dont la petite orbite et la faible masse se combinent pour le mettre hors de portée de la mission. WFIRST trouvera des planètes qui sont la masse de la Terre et même plus petites - peut-être même de grandes lunes, comme la lune de Jupiter Ganymède.

WFIRST trouvera des planètes dans d'autres catégories peu étudiées, trop. La microlentille est la mieux adaptée pour trouver des mondes à partir de la zone habitable de leur étoile et plus loin. Cela inclut les géants de glace, comme Uranus et Neptune dans notre système solaire, et même des planètes voyous - des mondes errant librement dans la galaxie sans être liés à aucune étoile.

Alors que les géantes de glace sont une minorité dans notre système solaire, une étude de 2016 a indiqué qu'ils pourraient être le type de planète le plus répandu dans toute la galaxie. WFIRST mettra cette théorie à l'épreuve et nous aidera à mieux comprendre quelles caractéristiques planétaires sont les plus répandues.

Joyaux cachés dans le noyau galactique

WFIRST explorera des régions de la galaxie qui n'ont pas encore été systématiquement parcourues à la recherche d'exoplanètes en raison des objectifs différents des missions précédentes. Kepler, par exemple, a fouillé une région de taille modeste d'environ 100 degrés carrés avec 100, 000 étoiles à des distances typiques d'environ mille années-lumière. TESS scanne tout le ciel et en suit 200, 000 étoiles, cependant, leurs distances typiques sont d'environ 100 années-lumière. WFIRST recherchera environ 3 degrés carrés, mais suivra 200 millions d'étoiles à des distances d'environ 10, 000 années-lumière.

Puisque WFIRST est un télescope infrarouge, il verra à travers les nuages ​​de poussière qui empêchent d'autres télescopes d'étudier les planètes de la région centrale surpeuplée de notre galaxie. La plupart des observations de microlentilles au sol à ce jour ont été effectuées en lumière visible, faisant du centre de la galaxie un territoire d'exoplanètes largement inexploré. Une enquête par microlentille menée depuis 2015 à l'aide du télescope infrarouge du Royaume-Uni (UKIRT) à Hawaï ouvre la voie au recensement des exoplanètes de WFIRST en cartographiant la région.

L'enquête UKIRT fournit les premières mesures du taux d'événements de microlentilles vers le cœur de la galaxie, où les étoiles sont les plus densément concentrées. Les résultats aideront les astronomes à sélectionner la stratégie d'observation finale pour l'effort de microlentille de WFIRST.

L'objectif le plus récent de l'équipe de l'UKIRT est de détecter les événements de microlentille à l'aide de l'apprentissage automatique, ce qui sera vital pour WFIRST. La mission produira une telle quantité de données qu'il sera impossible de les parcourir uniquement à l'œil nu. La rationalisation de la recherche nécessitera des processus automatisés.

Des résultats supplémentaires de l'UKIRT indiquent une stratégie d'observation qui révélera le plus d'événements de microlentille possible tout en évitant les nuages ​​de poussière les plus épais qui peuvent bloquer même la lumière infrarouge.

"Notre enquête actuelle avec l'UKIRT jette les bases pour que WFIRST puisse mettre en œuvre la première enquête spatiale dédiée aux microlentilles, " dit Savannah Jacklin, astronome à l'Université Vanderbilt de Nashville, Tennessee qui a dirigé plusieurs études UKIRT. "Les missions exoplanètes précédentes ont élargi notre connaissance des systèmes planétaires, et WFIRST nous rapprochera d'un pas de géant pour vraiment comprendre comment les planètes, en particulier celles qui se trouvent dans les zones habitables de leurs étoiles hôtes, se forment et évoluent. »

Des naines brunes aux trous noirs

Le même sondage par microlentille qui révélera des milliers de planètes détectera également des centaines d'autres objets cosmiques bizarres et intéressants. Les scientifiques pourront étudier des corps flottant librement avec des masses allant de celle de Mars à 100 fois celle du Soleil.

L'extrémité inférieure de la fourchette de masse comprend des planètes qui ont été éjectées de leurs étoiles hôtes et qui parcourent maintenant la galaxie en tant que planètes voyous. Viennent ensuite les naines brunes, qui sont trop massives pour être qualifiées de planètes mais pas assez massives pour s'enflammer comme des étoiles. Les naines brunes ne brillent pas visiblement comme les étoiles, mais WFIRST pourra les étudier en lumière infrarouge grâce à la chaleur résiduelle de leur formation.

Les objets à l'extrémité supérieure comprennent des cadavres d'étoiles (étoiles à neutrons et trous noirs) laissés sur place lorsque les étoiles massives épuisent leur carburant. Les étudier et mesurer leur masse aidera les scientifiques à mieux comprendre l'agonie des étoiles tout en fournissant un recensement des trous noirs de masse stellaire.

« L'enquête sur les microlentilles de WFIRST ne fera pas seulement progresser notre compréhension des systèmes planétaires, " dit Penny, "il permettra également toute une série d'autres études sur la variabilité de 200 millions d'étoiles, la structure et la formation de la Voie Lactée intérieure, et la population de trous noirs et autres sombres, des objets compacts difficiles ou impossibles à étudier d'une autre manière."

La loi sur les crédits consolidés pour l'exercice 2020 finance le programme WFIRST jusqu'en septembre 2020. La demande de budget pour l'exercice 2021 propose de mettre fin au financement de la mission WFIRST et de se concentrer sur l'achèvement du télescope spatial James Webb, le lancement est désormais prévu en mars 2021. L'administration n'est pas prête à procéder à un autre télescope de plusieurs milliards de dollars tant que Webb n'aura pas été lancé et déployé avec succès.