L'imagerie directe des exoplanètes

Alors que l'écrasante majorité des découvertes exoplanétaires ont été historiquement réalisé grâce à des méthodes de détection indirecte comme le transit, la microlentille gravitionnelle et les vitesse radiales, la tendance est en cours d'inversion avec le développement croissant de méthodes de détection directe. Pour commencer nous verrons comment fonctionnent ces techniques directes et les différences avec celles indirectes, puis nous découvrirons les nouvelles choses que ces techniques nous apprennent sur les exoplanètes, et enfin nous sonderont le futur pour connaitre l'avenir des méthodes directes dans l'exploration de la Galaxie et la recherche de la vie.

Il faut tout d'abord savoir que les exoplanètes étaient jusqu'à présent invisibles à nos yeux à cause de la trop grande luminosité de leur étoiles qui les cachent dans leur puissant halo. C'est comme essayer de regarder un petit insecte qui passe derrière le spot lumineux d'un lampadaire en pleine nuit, vous allez juste réussir à vous éblouir. Vous pourriez cependant essayer d'aligner votre main entre vos yeux et le lampadaire pour soustraire sa lumière et essayer de mieux voir autour de lui... et c'est précisément en ça que consiste un des éléments centraux des détections directes : le coronographe.

Équipé d'un coronographe, un télescope peut ainsi eclipser artificiellement une étoile pour révéler ce qui se trouve autour. Bien que d'apparence simple à mettre en oeuvre, cette méthode requiert une technologie très poussée et précise, qui ne commence à être maitrisé que depuis peu de temps. Il est donc désormais possible de se concentrer sur ce qui se trouve autour des étoiles, plutôt que sur les étoiles elles-mêmes, ce qui était le propre des méthodes indirectes. Grâce à cette technologie (et en particulier grâce aux lourds traitements de données permettant de faire apparaitre les objets autour des étoiles), nous pouvons enfin voir les exoplanètes, plutôt que de les deviner.

Voir oui, mais avec quel oeil ? Ou plus précisement, voir dans quelle couleur, c'est à dire dans quelle longueur d'onde ? Cela a une grande importance car en réalité l'eclipse artificielle réalisée par coronographie n'est optimale que dans certaines games de longueurs d'ondes bien précises, en particulier l'infrarouge. Lorsque l'on parle de voir des exoplanètes, il est donc question de les voir en infrarouge. Toutes les images d'exoplanètes publiées dans différents articles ne montrent donc pas les véritables couleurs des planètes, mais simplement une reconsistution dans le visible de leur lumière infrarouge. Quoique surprenant, ce n'est pas moins génant pour les études scientifiques, car l'observation dans l'infrarouge permet d'obtenir de nombreuses informations précieuses sur les exoplanètes, des données que les méthodes indirectes ne peuvent pas fournir.

Lorsque l'observation directe d'une exoplanète est correctement réalisée, le spectrographe du télescope nous permet d'obtenir un spectre détaillé des exoplanètes découvertes. Le spectre correspond à l'intensité lumineuse (le flux) de l'exoplanète dans plusieurs longueurs d'ondes. Dans le cas des techniques d'observation directes, ces longueurs d'ondes seront donc dans le domaine de l'infrarouge. Une fois le spectre obtenu, les choses sérieuses peuvent commencer, à savoir : l'analyse spectrale. L'analyse d'un spectre requiert des connaissances scientifiques dans le milieu de l'optique, de la chimie, évidemment de l'astrophysique, et dans une moindre mesure de la physique numérique pour effectuer une analyse automatisée par un code.

Ce flux est en réalité la lumière de l'étoile se reflètant à la surface de l'exoplanète mais qui se retrouve transformée par les caractéristiques de l'exoplanète telle que son atmosphère (épaisseur, composition), sa surface (composition, albédo...), sa température d'équilibre, etc. Et ce sont justement tous ces éléments que l'on peut découvrir en analysant le spectre, et bien plus encore !

Là où la méthode des vitesses radiales (et tout autre technique indirecte) permet de déterminer l'orbite, la taille ou encore la masse d'une exoplanète (donc des éléments essentiellement liés aux paramètres orbitaux), la méthode d'imagerie directe par spectroscopie infrarouge ouvre la voie à découvrir la température, la gravité de surface, la composition planétaire et atmosphérique, ainsi que l'historique géologique et orbital de l'exoplanète (oui, rien que ça).

La détection directe d'exoplanètes a un grand avenir dans la recherche astrophysique et deviendra un concurrent sérieux aux méthodes indirectes dans les années à venir. De nombreux télescopes et spectroscopes de grandes envergures sont en cours de conception et permettront d'accumuler de nouvelles données sur les mondes encore peu ou pas connus. Entre autre, la composition planétaire et atmosphérique des exoplanètes sera enfin obtenable par une autre façon que l'analyse spectral durant les transits (qui peut s'avérer compliqué à cause de l'activité solaire se superposant au spectre de la planète), ce qui permettra de combiner les données et valider les découvertes par deux méthodes différentes (c'est toujours mieux pour être rigoureux en science).

Parmi les projets bientôt lancés visant à exploiter cette méthode d'observation directe des exoplanètes, on peut cité le télescope spatial Nancy-Grace-Roman dont le lancement est prévu en 2027, ou encore le projet LIFE visant à analyser les exoTerre pour y découvrir la vie, ainsi que le James Webb Space Telescope déjà opérationnel depuis quelques mois ! La recherche de la vie sera grandement accelérée avec la généralisation de l'imagerie directe des exoplanètes permit par ces nouveaux instruments astronomique, notamment à travers la recherche de biosignatures dans le spectre des mondes possédant des atmosphères.

Pour conclure, il est plus que certain que la méthode d'imagerie directe des exoplanètes va jouer un rôle central en combinaison avec la méthode du transit pour l'exploration et l'analyse des autres mondes que recèle notre Galaxie, et en particulier les mondes habitables !

À bientôt dans l'espace !

Références :

• https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2208/2208.13863.pdf
• https://roman.gsfc.nasa.gov/
• https://life-space-mission.com/

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