JWST annonce une nouvelle aube pour la science des exoplanètes

Tout futur historien des sciences spatiales du XXIe siècle pourrait bien diviser le sujet en deux époques : avant le télescope spatial James Webb (JWST) et après. Le télescope a été construit pour transformer notre compréhension du cosmos en étudiant les premières étoiles et galaxies, et en moins d’un an de fonctionnement, il a déjà livré des résultats alléchants et potentiellement révolutionnaires de ses observations de l’univers primitif. Pourtant, le travail de JWST est sur le point de transformer de nombreux autres sous-domaines de l’astronomie, aucun sans doute plus que l’étude des exoplanètes, des mondes en orbite autour d’autres étoiles. Les astronomes savent désormais de plus de 5 000 exoplanètes mais ne savent presque rien sur la plupart d’entre eux – leur composition, les conditions environnementales ou même les perspectives de vie. JWST commence à changer cela, grâce à sa capacité encore inégalée à observer directement ces mondes extraterrestres, à distinguer leur lumière pour discerner des détails plus fins et parfois même à prendre une photo d’une exoplanète contre l’éblouissement écrasant de son étoile d’origine.

De tels résultats restent loin du Saint Graal astrobiologique consistant à trouver et à étudier des mondes potentiellement semblables à la Terre, mais sont néanmoins extrêmement excitants, étant donné que le JWST et ses objectifs scientifiques fondamentaux ont été conçus avant même que les exoplanètes ne soient connues. “La communauté des exoplanètes est juste étourdie en ce moment”, déclare Mark Clampin, directeur de la division d’astrophysique au siège de la NASA à Washington, DC

La première année scientifique du JWST est prévue de juillet 2022 à juin 2023. Sur cette période, appelée Cycle 1, environ un quart du temps du télescope est consacré aux exoplanètes dans environ 75 programmes. L’une des applications les plus passionnantes de JWST est l’étude des atmosphères d’exoplanètes. Plaqué or et à peu près aussi large qu’un éléphant d’Afrique adulte, le miroir primaire à réglage infrarouge du télescope lui permet de sonder les atmosphères des exoplanètes à un degré jamais atteint auparavant. “Avec Hubble [Space Telescope]nous avons passé une décennie à détecter de l’eau, que nous avons trouvée en abondance, mais pas grand-chose d’autre », déclare Nikole Lewis de l’Université Cornell. “C’était la seule chose que vous pouviez mesurer.” JWST peut également voir l’eau, ainsi qu’un éventail beaucoup plus large de molécules, notamment le dioxyde de carbone, le sodium, etc. Certains des composés que le JWST peut détecter, comme le méthane, sont étroitement associés aux processus métaboliques de la biosphère terrestre, ce qui en fait des biosignatures possibles qui pourraient aider à révéler la présence de la vie sur d’autres mondes potentiellement habitables au-delà du système solaire.

En août, des astronomes ont révélé qu’ils avaient utilisé JWST pour détecter le dioxyde de carbone sur une exoplanète pour la première fois en surveillant les signes du gaz à la lumière de l’étoile hôte d’une planète géante gazeuse filtrant à travers l’atmosphère mondiale. Connue sous le nom de spectroscopie de transmission, cette technique est incroyablement utile non seulement pour étudier les planètes géantes, mais aussi pour étudier les plus petites qui pourraient ressembler davantage à la suite de mondes rocheux de notre système solaire. “Nous devions commencer par ‘D’accord, ont-ils de l’air?'”, Dit Lewis. “Une fois que nous aurons compris cela, nous pourrons développer une meilleure stratégie de recherche de gaz biosignatures.”

Lors de la 241e réunion de l’American Astronomical Society (AAS) à Seattle au début du mois, les astronomes ont annoncé un autre résultat de spectroscopie de transmission du JWST. Cette fois, le télescope a étudié un monde de la taille de la Terre appelé LHS 475 b, qui orbite autour d’une étoile naine rouge à 41 années-lumière de la Terre. Dans ce cas, JWST en fait confirmé l’existence de la planètequi avait déjà été évoqué par le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA. “Nous avons confirmé qu’il s’agissait d’une planète en l’observant avec JWST”, explique Sarah Moran de l’Université de l’Arizona, collaboratrice du résultat.

JWST a observé deux orbites de la planète autour de son étoile, mais une observation supplémentaire attendue en mai sera nécessaire pour mieux analyser le contenu de l’atmosphère de la planète. Jusqu’à présent, cependant, l’équipe “peut dire beaucoup de choses sur ce à quoi l’atmosphère n’est pas”, dit Moran. « Nous savons que ce n’est pas dominé par l’hydrogène comme Jupiter ou Saturne. Nous pensons qu’il n’a probablement pas une atmosphère semblable à celle de la Terre. Mais il pourrait avoir une atmosphère de dioxyde de carbone comme Vénus ou Mars, ou il pourrait n’avoir aucune atmosphère comme Mercure. Ces résultats pourraient aider à éclairer l’étude d’autres planètes rocheuses autour des naines rouges, qui représentent environ les trois quarts de toutes les étoiles de la Voie lactée. “Nous en sommes aux toutes premières étapes pour essayer de mesurer les atmosphères des planètes rocheuses et essayer de déterminer si une planète peut être habitable”, déclare Moran.

En ce qui concerne l’étude des planètes rocheuses, JWST est largement limité aux mondes qui orbitent autour de naines rouges, qui sont suffisamment sombres pour éviter de surcharger l’optique extrêmement sensible du télescope. Ces étoiles sont connues pour être sujettes à des éruptions intenses qui pourraient faire exploser les atmosphères de mondes comme LHS 475 b, qui orbitent dangereusement près de leurs étoiles hôtes par rapport aux séparations étoiles-planètes beaucoup plus larges parmi les mondes rocheux de notre système solaire. “Il est possible qu’absolument toutes leurs atmosphères aient été époustouflées par leurs stars”, déclare Lewis. L’une des principales cibles naines rouges d’intérêt, le système TRAPPIST-1 à près de 40 années-lumière de la Terre, contient sept mondes de la taille de la Terre. Plusieurs d’entre eux se trouvent dans la zone habitable de l’étoile, la région autour de l’étoile dans laquelle suffisamment de lumière stellaire réchauffant la planète pourrait permettre à l’eau liquide d’exister. Les premières observations de TRAPPIST-1 sont toujours en cours, y compris celles à la recherche d’atmosphères. Ces résultats pourraient contribuer grandement à révéler si les mondes nains rouges peuvent réellement être habitables. « J’espère que nous le saurons d’ici la fin du cycle 1 », dit Lewis.

JWST arbore également un add-on passionnant appelé coronographe, un dispositif pour bloquer la plupart de la lumière des étoiles afin que les planètes accompagnant les plus faibles puissent être vues (c’était crucial pour la toute première image d’exoplanète de JWST, que les chercheurs dévoilé en septembre dernier). Le pouvoir de suppression de la lumière des étoiles du coronographe du télescope est insuffisant pour révéler de petits mondes potentiellement habitables, mais des travaux récents ont montré que le coronographe devrait permettre au JWST de voir des mondes jusqu’à la taille de Jupiter ou de Saturne qui orbitent autour d’étoiles naines rouges ou au-delà. cinq fois la distance Terre-Soleil (cinq unités astronomiques ou UA). C’est à peu près la position de Jupiter dans notre propre système solaire.

Cette analyse provient de Kellen Lawson du Goddard Space Flight Center de la NASA et de ses collègues, qui lors de la récente réunion de l’AAS ont fait leurs débuts superbes vues infrarouges d’un disque de débris tentaculaire encerclant une jeune étoile à quelque 32 années-lumière de la Terre. “Dans le passé, l’imagerie directe était limitée à environ 10 masses de Jupiter”, explique Lawson. « Ici, nous sommes sensibles à une [single] Masse de Jupiter. Cela permettra au JWST de rechercher des analogues approximatifs de Jupiter autour d’autres étoiles d’une manière qui n’était pas possible auparavant. “Notre espoir est qu’avec JWST, nous pouvons limiter la présence de planètes dans ce régime”, déclare Lawson. De telles planètes directement imagées peuvent être directement localisées dans leurs orbites autour de leurs étoiles, ce qui donne une excellente occasion “de suivre et d’obtenir une tonne de données vraiment incroyables”.

Les astronomes sont également enthousiasmés par les capacités exoplanétaires d’un autre télescope, l’observatoire Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA). Lancé dans l’espace en 2013 principalement pour cartographier les mouvements et les positions de milliards d’étoiles dans notre galaxie, le télescope devrait également trouver des milliers d’exoplanètes. Lors de la réunion de l’AAS, Sasha Hinkley de l’Université d’Exeter en Angleterre – qui dirige l’un des premiers programmes d’imagerie d’exoplanètes du JWST – a annoncé qu’en utilisant Gaia et le Very Large Telescope (VLT) au Chili, son équipe avait vu une planète inhabituelle à environ 130 années-lumière de la Terre qui semblait subir une fusion nucléaire. “Il brûle du deutérium”, dit-il, faisant référence à un isotope de l’hydrogène qui réalise une fusion nucléaire alimentant la lumière des étoiles à des températures plus basses que l’hydrogène normal. D’autres études du système, dit Hinkley, pourraient aider les astronomes à tracer des lignes moins floues entre les étoiles, les planètes et les naines brunes, ces dernières étant une classe vaguement définie d’objets qui se situent entre les planètes et les étoiles en masse. La planète distante de 130 années-lumière, repérée grâce à Gaia témoin d’une oscillation dans le mouvement de son étoile hôte causée par l’attraction gravitationnelle du monde invisible, pourrait être l’une des nombreuses exoplanètes à venir trouvées par le télescope, dont certaines pourraient également être des cibles intéressantes pour JWST.

La quête de mondes semblables à la Terre, cependant, semble devoir définir l’héritage exoplanétaire de JWST, bien qu’elle soit largement hors de portée du télescope. “C’est là que tout ce travail se dirige”, dit Hinkley, “et c’est pourquoi la majorité des gens sont dans ce jeu.” En 2026, une nouvelle mission de l’ESA appelée PLATO sera lancée, avec la recherche de tels mondes comme objectif principal. PLATO observera de vastes étendues du ciel pour, pour la première fois, rechercher sérieusement des mondes semblables à la Terre autour d’étoiles semblables au soleil à environ 1 000 années-lumière du système solaire. Quelques dizaines de ces planètes devraient être découvertes au cours de la mission principale de quatre ans du télescope, explique Ana Heras de l’ESA, scientifique du projet de la mission. “Nous ne savons vraiment pas quel est le taux d’occurrence [for Earth-like planets],” elle dit. PLATON ira en quelque sorte nous dire combien, le cas échéant, il y en a dans notre coin de la galaxie.

JWST ne sera pas en mesure d’étudier de près de tels mondes. Son successeur, le Nancy Grace Roman Space Telescope, dont le lancement est prévu pour 2027, n’en sera pas non plus capable. Mais Roman jouera un rôle crucial parallèlement à ses autres objectifs scientifiques : tester la technologie avancée du coronographe qui sera nécessaire pour produire des images de mondes potentiellement habitables de type terrestre autour d’étoiles comme notre soleil. Cette technologie est censée être ensuite utilisée sur JWST et le successeur de Roman, le nouvellement baptisé Observatoire des Mondes Habitablesqui devrait être lancée au plus tôt à la fin des années 2030 dans le cadre d’une mission visant à produire les toutes premières images de Terres potentiellement habitables. Ce télescope doit être “environ 100 fois plus stable” dans l’espace que JWST pour atteindre un tel objectif, déclare Bruce Macintosh, directeur des observatoires de l’Université de Californie. “Ce n’est pas un défi négligeable.”

Le chemin vers cette éventualité est long. « Nous sommes au début d’un voyage ici », dit Clampin. Mais même en laissant de côté toute discussion sur le Saint Graal, les premiers résultats transformateurs du JWST sur les exoplanètes restent un plaisir pour les scientifiques. Le meilleur reste cependant à venir. «Les gens doivent être patients», dit Lewis. « Le premier cycle consiste à cueillir les fruits à portée de main. Nous allons commencer à devenir fous dans les prochains cycles.

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