Le super-Hubble de la NASA va enfin trouver des planètes habitées

Il y a des milliards de planètes potentiellement habitées dans la seule Voie lactée. Voici comment la NASA va enfin les découvrir et les mesurer.

Depuis que nos ancêtres ont levé les yeux vers les étoiles pour la première fois, une question ne cesse de nous étonner : qui d’autre existe là-haut ? Nous savons qu’il existe une grande variété de planètes et de lunes, y compris des planètes dont la taille, la masse, la température et la composition ne se retrouvent nulle part dans notre propre système solaire. Avec environ 400 milliards d’étoiles dans notre seule Voie lactée, ce n’est qu’une question de temps avant que nous ne tombions sur une planète en orbite autour de l’une d’elles qui non seulement présente les conditions propices à la vie, mais où la vie est apparue, a survécu et s’est développée.

À partir des années 2030, si tout se déroule comme prévu, la NASA lancera une mission phare de type super-Hubble qui identifiera et déterminera les propriétés du premier monde habité au-delà de notre propre système solaire. Bien qu’il faille une planification audacieuse et un investissement substantiel (mais pas ruineux) pour le mener à bien, ce nouveau télescope sera le tout premier à avoir la capacité extraordinaire de :

• regarder n’importe quelle étoile dans un certain nombre d’années-lumière,
• bloquer la lumière de l’étoile mère,
• trouver et caractériser toutes les planètes de taille terrestre dans la “zone habitable” de l’étoile.
• et déterminer si la vie sur cette planète a transformé le contenu de son atmosphère.

Si la vie n’est pas rare dans l’Univers, ce télescope trouvera au moins un monde habité au-delà de notre système solaire. Voici l’incroyable science du comment.

Ce que nous pouvons faire aujourd’hui, même si c’est assez impressionnant, est loin d’être suffisant pour nous permettre de répondre à la question de savoir si une exoplanète abrite ou non de la vie. Bien que nous soyons devenus très performants dans la recherche de planètes autour d’étoiles autres que la nôtre, nous avons de sérieuses limitations sur ce que nous pouvons trouver ainsi que sur ce que nous pouvons mesurer.

Les deux principales méthodes dont nous disposons pour trouver des exoplanètes sont :

• la méthode du transit, où une planète en orbite passe périodiquement devant son étoile mère, bloquant à chaque fois une partie de sa lumière,
• et la méthode de la vitesse radiale et de l’oscillation stellaire, où une planète en orbite exerce une traction gravitationnelle sur son étoile mère, provoquant un mouvement de va-et-vient de l’étoile le long de notre ligne de visée, périodiquement, d’une manière qui révèle la masse de la planète (jusqu’à son angle d’inclinaison incertain) et sa période orbitale.

Malheureusement, la méthode du transit ne peut révéler des planètes que lorsque l’alignement est fortuitement parfait, lorsque le transit est suffisamment rapide et fréquent, et lorsque les planètes sont suffisamment grandes par rapport à leur étoile mère pour bloquer une fraction appréciable de leur lumière. Si nous observions une étoile semblable au Soleil avec Kepler, TESS ou n’importe quel autre de nos meilleurs observatoires de recherche de planètes, tous seraient incapables de trouver une planète de la taille de la Terre sur une orbite semblable à la Terre dans le système planétaire de cette étoile.

Si vous avez une planète en transit, vous avez au moins la possibilité de mesurer son contenu atmosphérique. Lors de chaque transit, une infime partie de la lumière des étoiles traverse l’atmosphère de la planète. En mesurant le spectre d’absorption de la planète, il est possible de révéler la présence et la composition de l’atmosphère de la planète, en fonction de la densité des molécules présentes.

C’est extrêmement important, car le seul moyen infaillible dont nous disposons pour savoir si une planète est habitée ou non – et pas seulement “potentiellement” habitable – est de mesurer la lumière qui en émane et de déterminer le type de chimie qui s’est produit sur cette planète. S’il existe des preuves d’une activité biologique généralisée, omniprésente et à long terme, une analyse de sa lumière à l’échelle de la planète le révélera.

Malheureusement, plus de 99 % des planètes ne transitent pas par leur étoile de notre point de vue, ce qui signifie qu’il n’y a qu’un seul moyen d’examiner le contenu atmosphérique de ces mondes : l’imagerie directe. En utilisant la technologie d’aujourd’hui, les planètes peuvent être imagées directement, mais seulement si :

• la lumière de l’étoile mère peut être efficacement bloquée,
• et les planètes sont assez grandes,
• assez lumineuses,
• et assez éloignées de leur étoile mère pour ne pas être perdues dans son éblouissement.

À ce jour, les seules exoplanètes qui ont été directement imagées sont grandes et bien séparées de leur étoile mère.

Si vous voulez bloquer la lumière d’une étoile mère, il n’y a que deux façons de procéder.

1. Vous pouvez intégrer un coronographe dans votre télescope, un “bouclier” qui bloque la lumière d’une étoile mère tout en permettant à la lumière des étoiles voisines d’entrer dans votre télescope sans entrave. C’est ainsi que nous avons traditionnellement imagé les planètes jusqu’à présent, mais il y a un inconvénient. Si vous créez simplement un “disque” pour bloquer la lumière de l’étoile, les “effets de bord” optiques du périmètre du disque créeront une série de cercles concentriques brillants autour de l’étoile bloquée, dont beaucoup seront encore suffisamment brillants pour noyer le faible signal d’une planète. Même les coronographes de pointe à bord de Hubble et du JWST présentent ce problème ; aucun d’entre eux n’est même capable de détecter des planètes de la taille de Jupiter en orbite jovienne autour d’étoiles semblables au Soleil.
2. Vous pouvez également faire voler une “ombre stellaire” à une distance importante et spécifique de votre vaisseau spatial, afin qu’elle bloque la lumière de votre étoile cible. Avec une forme optiquement parfaite, tant qu’il reste correctement positionné, il peut permettre d’imager directement des planètes qui n’émettent qu’un dix milliardième de la lumière de l’étoile mère. Le problème est qu’il ne fonctionne que pour une seule étoile cible à la fois et qu’il faut littéralement un an ou plus pour le positionner correctement.

La recherche de la vie sur des planètes situées au-delà de notre système solaire est un jeu de chiffres, et toute activité astronomique menée depuis l’espace nécessite une analyse coûts/avantages. Même si nous pouvions identifier à l’avance les planètes potentielles de la taille de la Terre autour d’étoiles semblables au Soleil grâce à la méthode de la vitesse radiale, l’ajout d’une lunette astronomique (très coûteuse) à une future mission spatiale ne nous permettrait d’obtenir la lumière que d’une poignée de planètes pertinentes, au maximum. Dans une entreprise où un grand nombre de statistiques est nécessaire pour obtenir le résultat souhaité, une lunette astronomique est une proposition digne d’un joueur, pas d’un scientifique.

Heureusement, il est possible d’améliorer considérablement les coronographes modernes, et c’est précisément ce que fera la prochaine mission phare de la NASA après le JWST. Le télescope romain Nancy Grace, dont les capacités sont similaires à celles de Hubble mais dont le champ de vision est 50 à 100 fois supérieur, sera équipé d’un nouveau type de coronographe, jamais utilisé auparavant, en particulier sur un télescope spatial. Au lieu d’un “disque” sphérique pour bloquer la lumière, il utilisera une série de cercles concentriques pour aider à contrecarrer les modèles d’interférence naturels produits par le bord du disque coronographique principal. En utilisant une technique similaire à celle de l’optique adaptative, le coronographe peut être réglé pour minimiser le motif spécifique produit par une étoile particulière, augmentant ainsi la puissance du télescope pour extraire la lumière planétaire qui pourrait autrement être perdue dans l’éblouissement de son étoile mère.

Le coronographe prévu à bord du télescope Nancy Grace Roman devrait permettre de faire un grand pas en avant dans l’imagerie directe des exoplanètes. Pour la première fois, nous devrions être en mesure de mesurer et de détecter la lumière de mondes analogues à Jupiter qui orbitent autour d’étoiles semblables au Soleil. Cependant, en raison de la double limite de la conception des instruments et de la petite ouverture (qui comprend à la fois une faible résolution et une puissance de collecte de lumière relativement faible) du télescope romain, les mondes de la taille de la Terre seront toujours hors de portée.

Mais ce n’est pas grave ; le but du télescope Roman n’est pas de trouver et de caractériser des mondes vivants, mais plutôt de mesurer un grand nombre d’étoiles, de galaxies, d’amas de galaxies et de supernovas pour essayer de mieux comprendre l’Univers. C’est le prochain télescope phare de l’arsenal – actuellement sans nom mais appelé LUVex, comme un portmanteau de deux propositions phares différentes de la NASA – qui nous y conduira. L’idée de base est la suivante :

• de prendre un grand télescope segmenté,
• dont le diamètre est légèrement supérieur à celui du JWST (de sorte que l’on puisse y inscrire un cercle complet de 6 mètres de diamètre),
• sensible au même ensemble de longueurs d’onde que Hubble (incluant éventuellement un peu plus loin dans le proche infrarouge que Hubble),
• avec un coronographe de nouvelle génération, comparé à celui qui sera à bord de Roman,

et l’utiliser pour mesurer une série de planètes de taille terrestre autour des étoiles les plus proches de la Terre.

Étant donné qu’il y a, au-delà de notre propre système solaire :

• 9 systèmes stellaires à 10 années-lumière de la Terre,
• 22 systèmes stellaires à 12 années-lumière de la Terre,
• 40 systèmes stellaires à moins de 15 années-lumière de la Terre,
• et 95 systèmes stellaires à moins de 20 années-lumière de la Terre,

la construction d’un télescope légèrement plus grand et/ou d’un coronographe légèrement plus efficace peut augmenter de manière significative les chances de trouver une planète habitée de taille terrestre. Cela fait partie des raisons pour lesquelles les astronomes doivent se battre pour chaque fraction de centimètre qu’ils peuvent ; lorsqu’il s’agit de notre potentiel de découverte avec un observatoire comme celui-ci, la puissance de collecte de la lumière et la résolution sont essentielles. Tant que nous pouvons mesurer la lumière d’une planète en orbite autour de l’étoile, plutôt que d’imager l’étoile elle-même, nous pouvons obtenir toutes sortes d’informations essentielles.

Si nous sommes en mesure d’imager la planète, directement, au fil du temps, le simple fait de pouvoir détecter des éléments tels que la couleur et la luminosité au fil du temps nous apportera une quantité considérable d’informations. Nous serons en mesure de mesurer l’albédo (ou réflectivité) de la planète, ainsi que la manière dont cet albédo évolue dans le temps. S’il y a des calottes glaciaires qui grossissent et rétrécissent au fil des saisons, des nuages dans l’atmosphère qui varient dans le temps, des continents et des océans sur une planète qui tourne, et/ou des formes de vie qui couvrent les masses terrestres qui changent de couleur (c’est-à-dire qui passent du vert au brun et vice-versa) au fil des saisons, le simple fait de mesurer la couleur et la luminosité de la planète, au fil du temps, le révélera. Cela reste vrai même si tout ce que nous pouvons voir est un simple pixel !

Mais le véritable pouvoir de l’imagerie directe se manifeste lorsque nous recueillons suffisamment de lumière pour effectuer une spectroscopie : pour décomposer la lumière émise par la planète en longueurs d’onde individuelles qui composent cette lumière. S’il existe des espèces moléculaires dans l’atmosphère, elles émettront de la lumière si elles sont excitées par la lumière du soleil, et elles absorberont la lumière si elles se trouvent sur la ligne de visée de la surface de la planète (ou des océans, ou des nuages) avant que cette lumière n’atteigne nos yeux.

Chaque atome et molécule de l’Univers émet et absorbe la lumière à son propre ensemble de longueurs d’onde, et c’est ce qui fait de la spectroscopie une technique si puissante. Nous savons déjà quels types et quels rapports d’atomes et de molécules les planètes qui se forment autour des étoiles devraient posséder dès leur naissance. Ces informations proviennent de plusieurs sources : l’examen des nébuleuses à partir desquelles les planètes se forment (comme les disques protoplanétaires), l’imagerie directe des atmosphères des plus grandes exoplanètes (déjà visibles aujourd’hui), la spectroscopie de transit (déjà disponible pour les mondes gazeux plus petits) et les planètes, lunes et autres corps de notre système solaire.

Mais nous savons aussi quelque chose de remarquable à propos de la planète Terre : elle a possédé la vie très tôt dans son histoire, et cette vie a très rapidement – au cours des 1 à 2 premiers milliards d’années d’existence de notre système solaire – modifié et altéré complètement la biosphère de la planète. Si la vie peut “saturer” la planète, comme elle l’a fait sur la Terre et comme on s’attend à ce qu’elle le fasse sur toute planète où la vie survit et prospère pendant une période de temps substantielle, ce signal servira de biomarqueur le plus clair que nous puissions demander.

Si l’une des planètes les plus proches, et nous en aurons entre des dizaines et des centaines à examiner, selon l’ambition avec laquelle nous concevons et construisons ce futur observatoire, possède une vie aussi florissante que celle de la Terre à l’époque où notre organisme le plus complexe n’était qu’une cellule unique capable de :

• la respiration anaérobique,
• se reproduire par mitose,
• et dépourvu de la capacité de photosynthétiser la lumière en sucres et/ou en énergie,

nous serons facilement capables de détecter une telle réussite. Si l’on considère que la vie sur Terre a connu bien plus de succès que ce simple scénario, on peut se demander ce que nous pourrions découvrir si nous investissions dans les bons outils pour ce travail.

Bien sûr, cela signifie aussi quelque chose de vraiment fascinant : si la vie n’est pas rare dans l’Univers, et si une vie complexe, différenciée et peut-être même intelligente apparaît facilement et fréquemment une fois que la vie s’installe sur une planète, ce que nous pourrions découvrir pourrait tout changer. Imaginez à quel point nous pourrions vivre différemment si nous savions qu’il y a une planète habitée, grouillant de vie d’un genre que notre imagination peut à peine imaginer, juste dans notre arrière-cour cosmique. Depuis d’innombrables générations, nous nous demandons si nous sommes seuls ou non dans l’Univers. Avec un investissement modeste mais soutenu dans la tâche à accomplir, nous pourrions enfin nous donner une chance réelle de répondre à cette question par l’affirmative au cours des deux prochaines décennies.

Aussi excitante que soit cette possibilité, et aussi bouleversante que soit cette découverte, elle dépend entièrement de ce que nous choisissons d’investir en tant que société. Pour un coût d’à peine 2 milliards de dollars par an – le budget total de la division astrophysique de la NASA – nous pourrions non seulement financer cette mission et toutes ses conditions préalables, mais aussi lancer une nouvelle flotte de grands observatoires qui ouvriraient l’Univers entier à des découvertes sans précédent. Mais si nous choisissons la science fondamentale comme domaine où nous nous serrons la ceinture, il pourrait s’écouler de nombreuses vies avant que nous ne répondions à cette question existentielle dont la portée est enfin à notre portée. L’heure est venue de faire un choix judicieux. Si nous le faisons, les leçons que nous tirons pourraient avoir un impact sur la vie de tous les êtres humains qui vivront à partir de maintenant.

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Source : Big Think – Traduit par Anguille sous roche