Le temps est venu pour le télescope spatial James Webb d'amener l'astronomie exoplanétaire à l'extérieur. Les chercheurs européens ont fait beaucoup de travail de fond pour se préparer à ce moment.

Depuis son lancement le 25 décembre 2021 à bord d'une fusée Ariane 5 depuis la Guyane française et après 30 ans de fabrication, le télescope spatial James Webb (JWST) est le cadeau du jour de Noël aux astronomes qui ne cesse de donner.

Comme de nombreux astronomes en Europe, Pierre-Olivier Lagage, astrophysicien au Commissariat aux énergies alternatives et à l'énergie atomique (CEA) basé à Paris, se prépare depuis des années au JWST.

Un projet conjoint avec la NASA, l'Agence spatiale canadienne (ASC) et l'Agence spatiale européenne (ESA), JWST a commencé à renvoyer ses premières images du cosmos en juillet 2022 après être arrivé à son point de vue à 1,5 million de kilomètres de la Terre et avoir déployé son pare-soleil géant distinctif.

Digne successeur de l'emblématique télescope spatial Hubble, le JWST de 10 milliards d'euros a de grands objectifs scientifiques. Celles-ci incluent l'étude de l'univers primitif peu après le Big Bang, les galaxies et la formation des étoiles, les trous noirs, notre propre système solaire et la recherche des éléments constitutifs de la vie dans l'univers.

Mine d'or scientifique

"Une exoplanète est une planète en orbite autour d'une étoile autre que le soleil", a déclaré Lagage.

Lagage est le chercheur principal du projet Exoplanet Atmosphere New Emission Transmission Spectra Analysis, ou ExoplANETS A, financé par H2020. Lui et ses collègues ont développé un outil de données pour exploiter la richesse des données spectroscopiques existantes des missions précédentes pour étudier les exoplanètes.

Depuis ses débuts, l'astronomie des exoplanètes a découvert des milliers d'exoplanètes au cours des 20 dernières années. Désormais, l'instrumentation de spectroscopie de JWST offre une opportunité sans précédent d'étudier les exoplanètes pour les signatures chimiques de la vie dans leur atmosphère.

La spectroscopie des exoplanètes en transit est l'une des principales techniques d'astronomie des exoplanètes. Lorsqu'une planète en orbite se déplace devant son étoile par rapport à l'observateur, le spectre de la lumière de l'étoile change lorsqu'elle traverse l'atmosphère de la planète. Lorsque les changements de lumière sont détectés, ils indiquent la composition chimique de l'atmosphère de la planète et si elle est susceptible d'abriter la vie ou non.

L'outil Exoplanètes A utilise l'analyse des données pour permettre aux astronomes de caractériser une large gamme d'atmosphères d'exoplanètes. Les astronomes utilisant JWST trouveront probablement cela utile pour aider leurs propres observations en indiquant quelles informations sont susceptibles d'être utiles et ce qui est susceptible d'être du bruit.

Un inconvénient des observations spectroscopiques est que bien qu'elles soient une mine d'or d'informations, le signal est mêlé à beaucoup de bruit. Des informations inutiles non liées à l'atmosphère de l'exoplanète peuvent obscurcir les données précieuses de l'observation.

Bruit systématique

C'est parce que le signal créé par l'atmosphère planétaire est minuscule par rapport au reste de la lumière provenant de l'étoile, selon Lagage. "Donc, vous devez développer des outils pour supprimer ce bruit systématique et obtenir le bon signal", a-t-il déclaré.

Le projet Exoplanètes A va plus loin. Pour modéliser l'atmosphère d'une exoplanète, il faut aussi bien connaître son étoile hôte. Pour aider à cela, le projet a créé une base de données des propriétés des étoiles avec des exoplanètes. Il a été réalisé avec des données archivées de l'observatoire spatial XMM-Newton et Gaia de l'ESA.

Les premières observations d'exoplanètes du JWST concernaient la planète géante à gaz chaud WASP-39b, décrite comme un "Jupiter chaud". Il orbite autour d'une étoile semblable au soleil à 700 années-lumière. Le mois dernier, en utilisant la spectroscopie, JWST a fait la première observation confirmée de dioxyde de carbone dans une exoplanète.

Pris dans un TRAPPIST-1

Le projet ESCAPE (Exploring Shortcuts for the Characterization of the Atmospheres of Planets similar to Earth) a également recherché des raccourcis pour aider à caractériser les atmosphères des exoplanètes semblables à la Terre.

Martin Turbet, astrophysicien au Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et chercheur principal du projet ESCAPE financé par H2020, a déclaré que cela nécessitait d'explorer de nouvelles techniques d'observation, en utilisant différents télescopes terrestres et spatiaux.

Par exemple, les astronomes ont développé de nouvelles méthodes pour calculer la densité des planètes en orbite autour de TRAPPIST-1, une naine rouge ultra-froide à environ 40 années-lumière de notre système solaire.

Découverte initialement en 2000, il a ensuite été annoncé en 2017 que l'étoile TRAPPIST-1 hébergeait sept petites exoplanètes, en orbite en formation serrée, dont au moins certaines pourraient être habitables.

Pour calculer la densité d'une planète, vous devez connaître son rayon et sa masse. Le dimensionnement de la planète peut se faire à l'aide d'observations spectroscopiques. La masse peut être calculée en observant l'effet de l'attraction gravitationnelle de la planète sur son étoile hôte.

Peser les exoplanètes

"C'est la façon classique de mesurer le poids d'une planète", a déclaré Turbet. "Mais dans le cas des planètes TRAPPIST-1, la masse des planètes est si petite que la technique classique ne fonctionne pas."

Cependant, le système TRAPPIST-1 est particulier car les sept planètes orbitent toutes très près les unes des autres et exercent de fortes forces gravitationnelles les unes sur les autres, a-t-il déclaré.

Cela affecte leurs orbites et signifie qu'ils ne passent pas ou ne transitent pas devant leur étoile hôte à des moments fixes.

La mesure des écarts dans ces temps de transit a permis aux chercheurs d'évaluer la force des forces gravitationnelles entre les planètes et d'évaluer leurs masses, a déclaré Turbet.

Grâce à cette technique, ils disent être désormais en mesure de faire les prédictions les plus précises à ce jour sur la teneur en eau des sept planètes connues du système TRAPPIST-1.

Les observations et les calculs de masse, de densité et de teneur en eau ont été effectués à l'aide de télescopes au sol, tels que le télescope SPECULOOS de l'Observatoire européen austral (ESO) au Chili, de télescopes spatiaux et de nouveaux travaux théoriques.

Turbet a déclaré que le JWST et le futur télescope extrêmement grand (ELT) pourraient être capables de détecter des signes potentiels de vie, connus sous le nom de biomarqueurs, dans les atmosphères d'exoplanètes.

Il a toutefois averti que ceux-ci "ne peuvent pas être utilisés comme preuve définitive qu'il y a de la vie sur la planète". En effet, des travaux récents ont montré que des biomarqueurs, tels que l'oxygène, peuvent se former sans vie.

Lumière des étoiles réfléchie

Turbet et ses collègues ont également étudié une nouvelle technique de spectroscopie, connue sous le nom de spectroscopie à lumière réfléchie. Plutôt que d'analyser comment la lumière d'une étoile change lorsqu'une planète passe devant elle, cette méthode examine comment la lumière de l'étoile est réfléchie par l'atmosphère de la planète.

Les modèles de teneur en eau et d'atmosphères planétaires aideront également les observations du JWST, a déclaré Turbet. Ils permettront aux astronomes de planifier leurs observations afin de maximiser la collecte de données d'intérêt réel.

Cela étant dit, la recherche sur les exoplanètes ne consiste pas seulement à rechercher une vie extraterrestre. Les exoplanètes pourraient également nous fournir des informations sur l'histoire de la Terre et sur l'évolution de son atmosphère, selon Lagage.

"Ce qui m'intéresse le plus, c'est l'atmosphère de la super-Terre et des exoplanètes de la taille de la Terre", a-t-il déclaré. + Explorer plus loin

La première image d'exoplanète du télescope spatial James Webb révélée