Le télescope spatial James Webb est sur le point de dynamiser notre chasse aux exoplanètes

Lorsque le télescope spatial James Webb, fraîchement lancé, se déploiera complètement et sera mis en ligne, ce ne sera pas seulement un autre outil pour les astronomes pour explorer l'univers. Grâce à sa technologie de spectroscopie de pointe, il sera capable de scruter l'obscurité de l'espace et de voir des objets distants plus en détail que jamais auparavant, bien plus que son prédécesseur, le télescope spatial Hubble. Cela va révolutionner notre compréhension des exoplanètes, et cela pourrait même nous aider à savoir d'où nous venons et où ailleurs dans l'univers pourrait être habitable.

Pour savoir comment le télescope spatial James Webb nous aidera à étudier des boules de roche en rotation à des milliers de milliards de kilomètres de distance (et pourquoi les astronomes le souhaitent), nous avons parlé à deux chercheurs qui travailleront avec James Webb après le déploiement : Néstor Espinoza du Space Telescope Science Institute et Antonella Nota de l'Agence spatiale européenne (ESA).

Un pas de géant en avant

Ces dernières années, des chercheurs ont identifié des planètes en dehors de notre système solaire à l'aide de télescopes comme le TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ou le télescope spatial Kepler . Ceux-ci sont capables de regarder les étoiles les plus brillantes et de voir des changements dans leur luminosité lorsqu'une planète passe entre elles et nous en utilisant une technique appelée la méthode du transit . C'est un exploit impressionnant d'observation scientifique, mais cela ne nous dit pas grand-chose sur ce à quoi ressemblent ces planètes – juste leur taille approximative et parfois leur masse.

Si nous voulons savoir à quoi ressemble une planète, a-t-elle une atmosphère ? de quoi est-il composé ? y a-t-il des nuages ​​dans le ciel ? y a-t-il de l'eau là-bas? – nous devons regarder beaucoup, beaucoup plus en détail. C'est ce que Webb va faire, mais c'est un énorme défi technique. C'est pourquoi la NASA, l'ESA et l'Agence spatiale canadienne (ASC) travaillent toutes ensemble sur ce projet.

"Webb est cent fois plus sensible que Hubble, et à cause de cela, Webb sera capable de révéler les moindres détails dans les coins les plus éloignés de l'univers très lointain, avec une résolution exquise", a expliqué Nota.

Alors que Hubble a été utilisé pour en savoir plus sur les exoplanètes, Espinoza a déclaré, « la vue qu'il vous donne est très étroite. Cela vous donne une fonctionnalité, peut-être. En comparaison, a-t-il déclaré, Webb va être « époustouflant », nous permettant de voir plusieurs caractéristiques à la fois et de regarder des planètes plus petites. « Ce sera notre premier changement pour examiner les petites planètes en détail. »

Hubble fonctionne également dans la longueur d'onde de la lumière visible, capturant des images dans la plage de lumière que nous pouvons voir. Mais James Webb travaillera dans la longueur d'onde infrarouge, qui peut sélectionner différentes caractéristiques et regarder à travers la poussière obscurcissante, " ouvrant une fenêtre sur l'univers qui sera complètement nouveau ", comme l'a dit Nota.

Hubble et Webb pourront travailler ensemble, rassemblant des données complémentaires sur les mêmes cibles. Donc, si vous aimez les belles images de l'espace capturées par Hubble , ne vous inquiétez pas, elles ne disparaîtront pas. Nous allons simplement gagner un autre outil pour une compréhension encore plus profonde.

« James Webb va être révolutionnaire. Littéralement révolutionnaire », a déclaré Espinoza. "Cela va nous permettre de voir des choses que nous nous attendions à détecter depuis longtemps mais que nous n'avions pas la technologie pour voir, et je suis presque sûr que cela va détecter des choses auxquelles nous ne pensons pas."

Mise à jour de la technologie Hubble des années 1980

Les chercheurs ont fait un travail remarquable en trouvant et en apprenant sur les exoplanètes à l'aide des instruments actuellement disponibles, découvrant plus de 4 000 exoplanètes à ce jour. Cependant, ce domaine est très récent, les premières planètes hors de notre système solaire ayant été identifiées dans les années 1990. Cela signifie que de nombreux instruments de la génération actuelle, comme Hubble, n'ont jamais été conçus pour des études d'exoplanètes.

"Hubble est la technologie des années 80", a déclaré Espinoza. « Rien contre les années 80 – j'adore les années 80, surtout la musique ! – mais la technologie a beaucoup évolué. Le type de détecteurs que nous avions à l'époque n'est rien comparé au type de détecteurs que nous avons maintenant.

James Webb, d'autre part, a été conçu avec l'intention spécifique d'être utilisé pour la caractérisation des exoplanètes, et cela a été au premier plan de ses principes de conception. Par exemple, lorsque Webb pointe vers une étoile, il pointe vers un pixel particulier avec une très grande précision et il ne bouge pas du tout, permettant aux chercheurs de mesurer très précisément toute baisse de luminosité qui pourrait donner des indices sur une planète en orbite. .

Ce niveau de précision permet à Webb d'accomplir sa fonction la plus excitante liée aux exoplanètes : détecter si une exoplanète a une atmosphère et de quoi cette atmosphère est composée. "Les petits détails qui comptent énormément lorsque vous essayez de détecter des atmosphères d'exoplanètes", a expliqué Espinoza.

Enquêter sur les exoplanètes à l'aide de la lumière infrarouge

Bien que les chercheurs aient mis au point des moyens très créatifs pour détecter les atmosphères des exoplanètes , ce n'est pas quelque chose pour lequel les instruments actuels ont été conçus. C'est pourquoi les capacités de Webb seront si révolutionnaires.

Pour scruter l'univers, Webb dispose de quatre instruments qui regarderont dans la longueur d'onde infrarouge. Ils comprennent la caméra proche infrarouge (NIRCam) et le spectrographe proche infrarouge (NIRSpec). Ensuite, il y a le capteur de guidage fin/l'imageur proche infrarouge et le spectrographe sans fente (FGS/NIRISS), qui, comme leurs noms l'indiquent, regarderont dans la bande proche infrarouge. Enfin, il y a le Mid-Infrared Instrument (MIRI), qui examine une large gamme dans l'infrarouge lointain.

Mais ce sont des instruments sensibles, et ils nécessitent un environnement soigneusement entretenu pour fonctionner. La technologie qui les entoure doit donc également être à la pointe de la technologie.

« Webb regorge de technologies nouvelles et complexes, des détecteurs infrarouges sensibles au pare-soleil Kapton mince à cinq couches de la taille d'un court de tennis qui protégera l'instrumentation du rayonnement solaire et permettra au télescope et aux détecteurs de atteindre la température froide nécessaire pour observer dans l'infrarouge », a déclaré Nota.

Elle a également souligné les détails fins des instruments, comme le réseau de micro-obturateurs de NIRSpec, qui est un ensemble de minuscules fenêtres à volets de la taille de quelques cheveux humains. Cela permettra à l'instrument d'observer des centaines d'objets en même temps. "Une première absolue dans l'astronomie spatiale, où la spectroscopie est traditionnellement effectuée un objet à la fois", a déclaré Nota.

Comprendre d'où nous venons

L'impulsion pour voir si une planète lointaine a une atmosphère n'est pas seulement un épanouissement scientifique, ou une vaine curiosité sur ce à quoi ressemblent ces endroits lointains. C'est plutôt la clé pour comprendre comment les planètes, y compris la nôtre, sont créées.

Lorsqu'il s'agit de comprendre comment notre système solaire s'est formé, les chercheurs exécutent des modèles et essaient de voir comment nous aurions pu nous retrouver avec la composition des planètes que nous voyons. "Mais actuellement, nous avons une taille d'échantillon d'un", a souligné Espinoza. "Notre système solaire. C'est ça. Nous sommes maintenant à une époque où nous pouvons examiner les compositions d'autres systèmes solaires. Et la façon dont les planètes se forment définit leur composition chimique.

Ainsi, lorsque nous regardons l'atmosphère d'une exoplanète lointaine, nous apprenons comment elle s'est formée. Et à partir de là, nous pouvons construire une image de la formation des planètes et des systèmes solaires en nous basant sur plus de cas que celui de notre arrière-cour. "Donc, obtenir ces indices de signatures de formation dans ces exoplanètes à travers la chimie que nous observons dans leurs atmosphères est absolument fondamental pour nous de comprendre comment ils sont apparus, et donc comment nous sommes devenus", a-t-il déclaré.

La chasse à l'habitabilité

Peut-être que la raison la plus excitante de regarder les atmosphères des exoplanètes est de comprendre où ailleurs dans l'univers la vie pourrait s'épanouir. "L'une des questions clés que Webb étudiera est l'origine de la vie", a déclaré Nota. « Il existe d’énormes variétés d’exo-mondes, plus que nous n’aurions pu l’imaginer. Il y a des planètes gazeuses de la taille de Jupiter en orbite très près de leur étoile, d'énormes "super-Terres" rocheuses et des "Neptunes chaudes". Certains d'entre eux pourraient avoir les bonnes conditions de température et la bonne composition pour accueillir la vie.

Mais pour déterminer si une planète est habitable, a déclaré Espinoza, il ne suffit pas de connaître sa taille et sa masse. Après tout, lorsque nous trouvons une planète de la taille de la Terre et d'une masse similaire, les gens supposent souvent que ce sera un endroit semblable à la Terre. Mais Vénus et Mars ont des tailles et des masses à peu près similaires à celles de la Terre, et elles ont des atmosphères extrêmement inhospitalières pour notre forme de vie. « Vénus est le pire endroit pour partir en vacances ! a-t-il plaisanté, avec son immense pression et son atmosphère toxique pleine de dioxyde de carbone. Mars n'est guère mieux, avec son atmosphère extrêmement fine et irrespirable qui ne représente que 1% de la densité de notre atmosphère sur Terre.

Nous devons donc connaître les atmosphères pour savoir si une planète individuelle est habitable. Et plus important encore, pour obtenir une estimation du nombre de planètes habitables qui pourraient exister, nous devons savoir quels types d'atmosphères sont typiques pour des planètes de la taille de la nôtre. « Quelle est l'atmosphère la plus commune que la nature forme ? » demanda Espinoza. "Cela pourrait être semblable à Vénus ou à Mars, et la Terre est une valeur aberrante." Ou il se pourrait que les atmosphères semblables à la Terre soient typiques et que le nombre de planètes potentiellement habitables soit énorme.

Aller vers l'inconnu

Webb ne regardera pas seulement les exoplanètes. Il effectuera un vaste éventail de recherches, allant de l'examen des premières phases de l'univers pour voir les premières galaxies se former, à l'observation de la naissance des étoiles à partir de la poussière et du gaz tourbillonnant. Avec sa première année d'opérations scientifiques planifiée , nous ne faisons qu'effleurer la surface de ce à quoi ce nouvel outil pourrait être utilisé. Il faudra attendre de voir quelles autres merveilles astronomiques il pourra démêler.

"Je pense que la plus grande découverte sera celle à laquelle personne ne s'attend", a déclaré Nota. "Celui qui changera notre façon de voir l'univers, celui qui définira, peut-être une fois pour toutes, quelle est notre place dans l'univers."