L'imagerie des planètes orbitant autour d’étoiles proches et qui pourraient potentiellement abriter la vie, est devenu une possibilité grâce aux progrès apportés aux méthodes d’observations par une équipe internationale d'astronomes, dont font partie Olivier Absil et Anne-Lise Maire, astrophysicien·ne·s au sein du STAR Institute de l’ULiège. Premier candidat : Alpha Centauri, un système similaire au nôtre qui se situe à «seulement » 4,3 années-lumière. Cette étude fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Communications.
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es efforts visant à obtenir des images directes des exoplanètes - des planètes situées en dehors de notre système solaire - ont été jusqu’ici entravés par des limites technologiques, ce qui a entraîné un biais vers la détection de planètes beaucoup plus grandes que Jupiter, autour de très jeunes étoiles et loin de la zone habitable, cette zone dans laquelle une planète peut présenter de l'eau liquide à sa surface, et donc potentiellement de la vie. « La Terre elle-même nous éclaire aux longueurs d'ondes utilisées pour la détection, et les émissions infrarouges du ciel, de la caméra et du télescope lui-même tendent à noyer les signaux que l’on souhaite détecter, explique Kevin Wagner, post-doctorant de la NASA Hubble/Sagan à l'Observatoire Steward de l'Université de l'Arizona et premier auteur de l’article. Mais la bonne raison de se concentrer sur ces longueurs d'onde est que c'est là qu'une planète semblable à la Terre, dans la zone habitable autour d'une étoile semblable au soleil, va briller le plus. "
En d'autres termes, si les astronomes veulent trouver des planètes dont les conditions sont adaptées à la vie telle que nous la connaissons, ils doivent chercher des planètes rocheuses de la taille de la Terre, à l'intérieur des zones habitables autour des étoiles plus anciennes, semblables à notre Soleil. Et pour ce faire, ils ont développé un nouveau système pour l'imagerie des exoplanètes dans l'infrarouge moyen en combinaison avec un temps d'observation très long. Ce système, qui a pu atteindre des sensibilités sans précédent en utilisant un miroir secondaire déformable permettant de corriger la distorsion de la lumière par l'atmosphère terrestre, a utilisé un coronographe développé – grâce à une bourse de l’ERC – par des chercheurs de l’ULiège. Un dispositif de blocage de la lumière des étoiles qu'ils ont optimisé pour le spectre de la lumière dans l'infrarouge moyen afin de bloquer la lumière d'une des étoiles à la fois.
« Nous avons réussi à obtenir la capacité d'imager directement des planètes d’environ trois fois la taille de la Terre dans la zone habitable de l’étoile alpha Centauri, explique Olivier Absil, chercheur qualifié FNRS et directeur du PSILab (STAR Institute/Faculté des Sciences) de l’ULiège. Combinée avec une soustraction efficace des bruits de fond thermiques, cette méthode représente une amélioration d’un facteur 10 par rapport aux capacités existantes d'observation directe des exoplanètes.» Semblable en effet aux casques antibruit, qui permettent d'entendre de la musique douce sur un flux continu de bruits indésirables de moteur à réaction, la technique a permis à l'équipe d'éliminer autant de bruits indésirables que possible et de détecter les signaux beaucoup plus faibles créés par les candidats potentiels à l'implantation d'une planète dans la zone habitable.
Alpha Centauri, premier candidat
Situé à seulement 4,3 années-lumière de notre système solaire, Alpha Centauri est un système stellaire triple. Il se compose de deux étoiles, Alpha Centauri A et B - qui sont similaires à notre soleil en taille et en âge et qui orbitent l'une autour de l'autre comme un système binaire - et Alpha Centauri C, mieux connue sous le nom de Proxima Centauri, une naine rouge beaucoup plus petite qui orbite autour de ses deux soeurs à une grande distance.
« Ce système est le plus proche du nôtre, reprend Anne-Lise Maire, astrophysicienne au PSILab et qui a également participé à l’étude. Il s’est avéré être un candidat idéal pour tester notre méthode, car Alpha Centauri A et B sont similaires à notre soleil, mais on ne sait pas encore si des planètes sont en orbite autour de l'une ou l'autre étoile. »
En déplaçant une étoile sur le coronographe et une étoile hors du coronographe tous les dixièmes de seconde, cette technique a permis aux chercheurs d’observer chaque étoile pendant la moitié du temps, et surtout cela leur a permis de soustraire une image de l'image suivante, ce qui supprime tout ce qui n'est essentiellement que du bruit de la caméra et du télescope. Après avoir retiré les artefacts connus créés par l'instrumentation et la lumière résiduelle du coronographe, l'image finale a révélé une source de lumière désignée comme "C1", une détection plausible, qui pourrait être une planète de la taille de Neptune à Saturne, située à une distance d'Alpha Centauri A similaire à celle entre la Terre et le Soleil, c’est-à-dire à l'intérieur de la zone habitable. « A ce stade, sans vérification via une deuxième campagne d’observation, nous ne pouvons cependant pas exclure un artefact instrumental d’origine inconnue, voire la signature d’un nuage de poussière asymétrique », souligne Olivier Absil.
Une autre campagne d'imagerie directe sera tentée dans les années à venir, et d'autres méthodes (par exemple, la mesure de vitesse radiale) pourraient également apporter une réponse. Ces résultats démontrent en tout cas le potentiel de l'imagerie à haut contraste dans l'infrarouge moyen pour permettre l'observation de planètes analogues à la Terre autour d'étoiles proches. « D'ici 2028, le même type de coronographe équipera l'instrument METIS installé sur le futur ELT (Extremely Large Telescope), qui permettra d'imager des planètes aussi petites que la Terre dans la zone habitable d'alpha Centauri, et une poignée d'autres étoiles proches, conclu Olivier Absil. » Les coronographes développés à l’Université de Liège sont le résultat de plus de 10 ans de développement technologique, en partenariat avec l'Université d'Uppsala, avec le financement du Conseil européen de la recherche.
Trouver une planète potentiellement habitable dans la région Alpha Centauri a été l'objectif de l'initiative Breakthrough Watch/NEAR, qui signifie Nouvelles Terres dans la région Alpha Centauri et à laquelle participe des chercheurs de l’Université de Liège. Breakthrough Watch est un programme astronomique mondial qui recherche des planètes semblables à la Terre autour d'étoiles proches. Lors de la campagne d’observations, environ 7 téraoctets de données ont été recueillis. Des données que les chercheurs ont mis à la disposition du public.
"Imaging low-mass planets within the habitable zone of α Centauri", Kevin Wagner et al., Nature Communications, https://dx.doi.org/10.1038/s41467-021-21176-6
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