Avant que les planètes autour d'autres étoiles ne soient découvertes pour la première fois dans les années 1990, ces mondes exotiques lointains ne vivaient que dans l'imagination des écrivains de science-fiction.

Mais même leurs esprits créatifs n'auraient pas pu concevoir la variété des mondes que les astronomes ont découverts. Beaucoup de ces mondes, appelées exoplanètes, sont très différentes de la famille des planètes de notre système solaire. Ils vont des "Jupiters chauds" étreignant les étoiles aux planètes rocheuses surdimensionnées surnommées "super Terres". Notre univers est apparemment plus étrange que la fiction.

Voir ces mondes lointains n'est pas facile car ils se perdent dans l'éclat de leurs étoiles hôtes. Essayer de les détecter, c'est comme s'efforcer de voir une luciole planer à côté de la balise brillante d'un phare.

C'est pourquoi les astronomes ont identifié la plupart des plus de 4, 000 exoplanètes trouvées à ce jour en utilisant des techniques indirectes, comme par le léger vacillement d'une étoile ou son atténuation inattendue lorsqu'une planète passe devant elle, bloquant une partie de la lumière des étoiles.

Ces techniques fonctionnent le mieux, cependant, pour les planètes en orbite près de leurs étoiles, où les astronomes peuvent détecter des changements sur des semaines ou même des jours alors que la planète termine son orbite de piste de course. Mais trouver uniquement des planètes écumant les étoiles ne fournit pas aux astronomes une image complète de tous les mondes possibles dans les systèmes stellaires.

Une autre technique que les chercheurs utilisent dans la chasse aux exoplanètes, qui sont des planètes en orbite autour d'autres étoiles, est celui qui se concentre sur les planètes qui sont plus éloignées de l'éblouissement aveuglant d'une étoile. Les scientifiques ont découvert de jeunes exoplanètes si chaudes qu'elles brillent dans la lumière infrarouge en utilisant des techniques d'imagerie spécialisées qui bloquent l'éblouissement de l'étoile. De cette façon, certaines exoplanètes peuvent être vues et étudiées directement.

Le prochain télescope spatial James Webb de la NASA aidera les astronomes à sonder plus loin cette nouvelle frontière audacieuse. Webb, comme certains télescopes au sol, est équipé de systèmes optiques spéciaux appelés coronographes, qui utilisent des masques conçus pour bloquer autant de lumière stellaire que possible pour étudier les exoplanètes faibles et découvrir de nouveaux mondes.

Deux cibles au début de la mission de Webb sont les systèmes planétaires 51 Eridani et HR 8799. Sur les quelques dizaines de planètes directement imagées, les astronomes prévoient d'utiliser Webb pour analyser en détail les systèmes les plus proches de la Terre et dont les planètes sont les plus éloignées de leurs étoiles. Cela signifie qu'ils apparaissent suffisamment loin de l'éblouissement d'une étoile pour être directement observés. Le système HR 8799 réside à 133 années-lumière et 51 Eridani à 96 années-lumière de la Terre.

Les cibles planétaires de Webb

Au début de la mission de Webb, deux programmes d'observation combinent les capacités spectroscopiques du spectrographe proche infrarouge (NIRSpec) et l'imagerie de la caméra proche infrarouge (NIRCam) et de l'instrument infrarouge moyen (MIRI) pour étudier les quatre planètes géantes du système HR 8799. Dans un troisième programme, les chercheurs utiliseront NIRCam pour analyser la planète géante dans 51 Eridani.

Les quatre planètes géantes du système HR 8799 ont chacune environ 10 masses de Jupiter. Ils orbitent à plus de 14 milliards de kilomètres d'une étoile légèrement plus massive que le soleil. La planète géante dans 51 Eridani est deux fois la masse de Jupiter et orbite à environ 11 milliards de kilomètres d'une étoile semblable au soleil. Les deux systèmes planétaires ont des orbites orientées face à la Terre. Cette orientation donne aux astronomes une occasion unique d'avoir une vue plongeante sur les systèmes, comme regarder les anneaux concentriques sur une cible de tir à l'arc.

De nombreuses exoplanètes trouvées dans les orbites extérieures de leurs étoiles sont très différentes de nos planètes du système solaire. La plupart des exoplanètes découvertes dans cette région extérieure, y compris ceux du HR 8799, sont entre 5 et 10 masses de Jupiter, ce qui en fait les planètes les plus massives jamais découvertes à ce jour.

Ces exoplanètes externes sont relativement jeunes, de dizaines de millions à des centaines de millions d'années, bien plus jeune que les 4,5 milliards d'années de notre système solaire. Donc, ils brillent toujours de la chaleur de leur formation. Les images de ces exoplanètes sont essentiellement des images de bébé, révélant des planètes dans leur jeunesse.

Webb va sonder dans l'infrarouge moyen, une gamme de longueurs d'onde que les astronomes ont rarement utilisée auparavant pour imager des mondes lointains. Cette "fenêtre" infrarouge est difficile à observer depuis le sol en raison de l'émission et de l'absorption thermiques de l'atmosphère terrestre.

« Le point fort de Webb est la lumière non inhibée qui traverse l'espace dans le domaine de l'infrarouge moyen, " a déclaré Klaus Hodapp de l'Université d'Hawaï à Hilo, chercheur principal des observations NIRSpec du système HR 8799. "L'atmosphère terrestre est assez difficile à traverser. Les principales molécules d'absorption dans notre propre atmosphère nous empêchent de voir des caractéristiques intéressantes sur les planètes."

L'infrarouge moyen "est la région où Webb apportera vraiment des contributions fondamentales à la compréhension de ce que sont les molécules particulières, quelles sont les propriétés de l'atmosphère que nous espérons trouver et que nous n'obtenons pas vraiment simplement du plus court, longueurs d'onde du proche infrarouge, " a déclaré Charles Beichman du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, chercheur principal des observations NIRCam et MIRI du système HR 8799. « Nous allons nous appuyer sur ce que les observatoires au sol ont fait, mais le but est de développer cela d'une manière qui serait impossible sans Webb."

Comment se forment les planètes ?

L'un des principaux objectifs des chercheurs dans les deux systèmes est d'utiliser Webb pour aider à déterminer comment les exoplanètes se sont formées. Ont-ils été créés par une accumulation de matière dans le disque entourant l'étoile, enrichi en éléments lourds comme le carbone, tout comme Jupiter l'a probablement fait ? Ou, se sont-ils formés à partir de l'effondrement d'un nuage d'hydrogène, comme une étoile, et devenir plus petit sous l'attraction implacable de la gravité ?

La composition atmosphérique peut fournir des indices sur la naissance d'une planète. "L'une des choses que nous aimerions comprendre est le rapport des éléments qui sont entrés dans la formation de ces planètes, " a déclaré Beichman. " En particulier, le carbone par rapport à l'oxygène vous en dit long sur l'origine du gaz qui a formé la planète. Provient-il d'un disque qui a accrété une grande partie des éléments les plus lourds ou bien du milieu interstellaire ? C'est donc ce que nous appelons le rapport carbone/oxygène qui est assez révélateur des mécanismes de formation."

Pour répondre à ces questions, les chercheurs utiliseront Webb pour sonder plus profondément l'atmosphère des exoplanètes. NIRCam, par exemple, mesurera les empreintes atmosphériques d'éléments comme le méthane. Il examinera également les caractéristiques des nuages ​​et les températures de ces planètes. « Nous avons déjà beaucoup d'informations à ces longueurs d'onde du proche infrarouge provenant d'installations au sol, " a déclaré Marshall Perrin du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland, enquêteur principal des observations NIRCam de 51 Eridani b. "Mais les données de Webb seront beaucoup plus précises, beaucoup plus sensible. Nous aurons un ensemble plus complet de longueurs d'onde, y compris combler les lacunes là où vous ne pouvez pas obtenir ces longueurs d'onde depuis le sol."

Les astronomes utiliseront également Webb et sa superbe sensibilité pour chasser des planètes moins massives loin de leur étoile. « À partir d'observations au sol, nous savons que ces planètes massives sont relativement rares, " dit Perrin. " Mais nous savons aussi que pour les parties internes des systèmes, les planètes de masse inférieure sont considérablement plus fréquentes que les planètes de masse plus importante. Alors la question est, est-ce également vrai pour ces nouvelles séparations ? » Beichman a ajouté, "Le fonctionnement de Webb dans l'environnement froid de l'espace permet une recherche de plus faible, planètes plus petites, impossible à détecter depuis le sol."

Un autre objectif est de comprendre comment les innombrables systèmes planétaires découverts jusqu'à présent ont été créés.

"Je pense que ce que nous constatons, c'est qu'il existe une grande diversité dans les systèmes solaires, " dit Perrin. " Vous avez des systèmes où vous avez ces planètes chaudes de Jupiter sur des orbites très proches. Vous avez des systèmes là où vous n'en avez pas. Vous avez des systèmes dans lesquels vous avez une planète de 10 Jupiter et d'autres dans lesquels vous n'avez rien de plus massif que plusieurs Terres. Nous voulons finalement comprendre comment la diversité de la formation du système planétaire dépend de l'environnement de l'étoile, la masse de l'étoile, toutes sortes d'autres choses et finalement à travers ces études au niveau de la population, nous espérons placer notre propre système solaire dans son contexte."

Les observations spectroscopiques NIRSpec de HR 8799 et les observations NIRCam de 51 Eridani font partie des programmes d'observations à temps garanti qui seront menées peu de temps après le lancement de Webb plus tard cette année. Les observations NIRCam et MIRI du HR 8799 sont une collaboration de deux équipes d'instruments et font également partie du programme d'observations à temps garanti.