Qu’est-ce qui vient après Webb? Le télescope de chasse aux planètes de nouvelle génération de la NASA

Lorsqu'il s'agit de construire d'énormes télescopes spatiaux complexes, des agences comme la NASA doivent planifier longtemps à l'avance. Même si le télescope spatial James Webb n'a été lancé que récemment, les astronomes sont déjà occupés à réfléchir à ce qui viendra après Webb – et ils ont des plans ambitieux.

Le grand plan pour les prochaines décennies de recherche en astronomie est de trouver des planètes habitables, et peut-être même de rechercher des signes de vie au-delà de la Terre. C'est le noble objectif de l'Observatoire des mondes habitables, un télescope spatial actuellement en phase de planification qui vise à découvrir 25 planètes semblables à la Terre autour d'étoiles semblables au Soleil.

Nous avons parlé à deux des scientifiques travaillant sur les plans de ce télescope spatial de nouvelle génération pour en savoir plus.

La puissance de l'imagerie directe

L'un des grands défis pour trouver des planètes habitables au-delà de notre système solaire est le suivant : nous pouvons rarement voir ces planètes lointaines directement, car les planètes sont si petites et sombres par rapport aux étoiles. Ainsi, pour identifier une exoplanète, les astronomes en déduisent généralement son existence en raison de ses effets sur son étoile hôte. Actuellement, des outils comme les télescopes spatiaux Hubble ou James Webb recherchent le plus souvent des baisses de luminosité d'une étoile lorsqu'une planète passe devant elle, appelée transit, ou ils recherchent une oscillation de l'étoile causée par la gravité de la planète, appelée méthode de la vitesse radiale.

Ces méthodes nous donnent des indices, mais pour vraiment comprendre les exoplanètes en profondeur, nous devons être capables de les imager directement. Les télescopes actuels sont rarement capables de le faire car cela nécessite un niveau de précision aussi élevé, mais les scientifiques prévoient déjà une prochaine génération de télescopes spatiaux qui pourront prendre des images d'exoplanètes.

Le prochain grand télescope spatial à être lancé est le télescope spatial romain Nancy Grace, dont le lancement est prévu en 2027. Il effectuera une étude du ciel pour estimer le nombre d'exoplanètes habitables. Vient ensuite l'Observatoire du monde habitable, un télescope spatial prévu qui imagera directement des exoplanètes semblables à la Terre autour d'étoiles semblables au Soleil et qui devrait être lancé vers 2040. Ce sera la meilleure chance que nous ayons à ce jour de découvrir des planètes habitables semblables à la Terre. mondes où nous pourrions rechercher des preuves de la vie au-delà de la Terre.

Choisir la bonne longueur d'onde

Si vous avez suivi l'actualité du télescope spatial James Webb, vous avez probablement entendu dire qu'il regarde dans la partie infrarouge du spectre électromagnétique. C'est essentiel pour son objectif d'étudier les premières galaxies, car cela permet aux scientifiques de voir des galaxies avec des niveaux élevés de décalage vers le rouge. L'infrarouge est également utile pour regarder à travers les nuages ​​de poussière et voir des structures qui seraient autrement cachées.

Le plan pour l'Observatoire des mondes habitables, cependant, est de regarder dans les longueurs d'onde optiques et ultraviolettes. Ces longueurs d'onde sont utiles pour identifier les signatures d'atomes spécifiques tels que l'hydrogène ou l'oxygène, afin que nous puissions pointer nos instruments vers une planète et apprendre de quoi est composée son atmosphère.

Il existe toutes sortes d'options pour les atomes ou composés particuliers que nous pourrions rechercher, mais l'oxygène est actuellement le premier choix pour ce qu'on appelle un biomarqueur, ou un indice qui indique la présence potentielle de vie. Repérer de l'oxygène sur une planète lointaine peut être un signe qu'il mérite une inspection plus approfondie.

"Il n'y a pas de signature de biomarqueur parfaite", a déclaré David Sing de l'Université Johns Hopkins, car nous pourrions également rechercher des atomes comme le méthane, et il y a toujours la possibilité d'un faux positif, "mais l'oxygène est vraiment important."

L'oxygène émet également un signal très fort, ce qui le rend relativement plus facile à détecter. En particulier, l'ozone – qui est une variation de l'oxygène avec trois atomes liés ensemble – a une signature très forte dans la longueur d'onde ultraviolette. Pensez à la façon dont la couche d'ozone sur Terre nous protège du rayonnement ultraviolet du soleil, et vous pouvez voir comment les scientifiques pourraient déduire la présence d'ozone sur une planète lointaine s'ils voyaient une longueur d'onde particulière de lumière ultraviolette bloquée.

Comment construire un télescope optique/UV

En se concentrant sur les longueurs d'onde optiques et ultraviolettes, l'Observatoire des mondes habitables ressemblera davantage au télescope spatial Hubble qu'au télescope spatial James Webb. Et cela apporte certains avantages en termes de construction d'un télescope.

Les télescopes infrarouges comme Webb sont très sensibles à la température (car lorsque les choses deviennent chaudes, ils émettent un rayonnement infrarouge). Ainsi, pour fonctionner avec précision, Webb doit être refroidi à des températures de fonctionnement extrêmement basses de quelques Kelvin pour certains instruments. Cela rend le télescope plus complexe et coûteux à construire, car il nécessite un système de refroidissement cryogénique.

Pour un télescope comme l'Observatoire des mondes habitables, ce type de refroidissement extrême n'est pas nécessaire, ce qui contribue à réduire les coûts.

Une autre différence clé entre les télescopes infrarouges comme Webb et les télescopes optiques/ultraviolets comme l'Observatoire des mondes habitables est le miroir. Le miroir principal de Webb est recouvert d'or, qui reflète très bien la lumière infrarouge. Mais un télescope optique/ultraviolet a un miroir recouvert d'argent, qui est plus efficace pour réfléchir ces longueurs d'onde.

De nouvelles technologies pour une nouvelle décennie

À certains égards, nous savons déjà exactement quels types d'instruments seront nécessaires pour rechercher des mondes habitables, car il s'agit de mises à jour d'instruments existants plutôt que de concepts entièrement nouveaux.

Par exemple, les instruments sur Habitable Worlds seront quelque peu similaires à ceux de James Webb ou Hubble, car ils seront constitués de caméras et de spectrographes. Les caméras seront utilisées pour rechercher des exoplanètes dans d'autres systèmes stellaires, et une fois qu'une planète a été identifiée, elle peut être étudiée plus en profondeur à l'aide des spectrographes. Les spectrographes fonctionnent en divisant la lumière entrante en différentes longueurs d'onde, pour voir quelles longueurs d'onde ont été absorbées. Cela vous indique de quoi est composé l'objet que vous regardez – et c'est ainsi que vous pouvez voir si une exoplanète a une atmosphère et de quoi cette atmosphère est faite.

Affiner ces instruments et les rendre plus précis n'est pas une mince affaire. En plus de la détection directe, la prochaine génération de télescopes spatiaux utilisera également des techniques telles que la vitesse radiale pour identifier les exoplanètes. Et des spectrographes plus précis permettront des techniques telles que la vitesse radiale d'une extrême précision, qui permet des mesures plus précises des masses d'exoplanètes en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil.

Mais des avancées plus théoriques sont également nécessaires. Un facteur majeur requis pour améliorer notre compréhension des exoplanètes, par exemple, est l'amélioration de notre compréhension des étoiles. Les étoiles peuvent devenir plus brillantes ou plus sombres pour toutes sortes de raisons, et nous devons être en mesure de modéliser cela plus précisément si nous voulons déterminer si une variation est causée par la présence d'une exoplanète ou est due à la variation de l'étoile.

Chasse à l'habitabilité

Même avec un tout nouveau télescope équipé d'une toute nouvelle technologie, il ne sera pas simple de trouver de la vie au-delà de notre système solaire. En effet, l'habitabilité est un concept complexe qui nécessite plus que la simple identification d'une planète semblable à la Terre en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil.

"Une planète qui semble avoir à peu près la bonne luminosité pour être une planète de la taille de la Terre, qui a une orbite à peu près circulaire dans ce que nous appellerions la zone habitable, montre des preuves de vapeur d'eau, peut-être de l'oxygène, il n'y a pas de planète géante intérieure cela a remué les choses, l'étoile n'est pas trop active – c'est le genre de système que nous espérons trouver en tant que candidat pour une planète potentiellement habitable », a déclaré Scott Gaudi de l'Ohio State University.

Mais aussi tentant qu'il soit d'imaginer un scénario dans lequel nous construisons ce télescope, trouvons une planète habitable, puis détectons immédiatement la vie, ce n'est pas ainsi que cela fonctionnera, a déclaré Gaudi.

Pour rechercher correctement des exoplanètes habitables, "nous devons vraiment obtenir tout le contexte, ce qui signifie étudier les autres planètes dans les systèmes, les disques de débris, étudier les étoiles", a déclaré Gaudi. "C'est ce qui va vraiment nous aider à comprendre si ces planètes sont vraiment habitables ou non."

Il y a une tentation d'imaginer que « nous allons construire l'Observatoire des mondes habitables, nous allons trouver la vie, et nous avons terminé », a déclaré Gaudi, mais « cela ne fonctionnera pas de cette façon. Si nous avons de la chance, nous allons trouver un ou deux, peut-être trois, systèmes qui semblent plutôt prometteurs. Et puis nous devrons construire quelque chose d'encore plus grand et meilleur.

Une entreprise multigénérationnelle

Même si nous sommes en mesure de trouver le système idéal avec un monde semblable à la Terre potentiellement habitable, la prochaine étape consisterait à examiner des facteurs encore plus avancés, tels que la proportion de la planète couverte par les océans et la quantité est la masse terrestre. La recherche de la vie n'est pas quelque chose qui va être résolu de si tôt, mais les scientifiques préparent maintenant le terrain pour que l'Observatoire des mondes habitables assume la prochaine partie du travail dans 20 ans.

C'est similaire à la façon dont la planification du télescope spatial James Webb a commencé vers 2000, et les scientifiques d'aujourd'hui commencent tout juste à être en mesure d'utiliser cet outil pour la découverte.

« Il y a plusieurs décennies, je n'étais qu'un jeune étudiant. Mais j'ai récolté les fruits de tout ce travail acharné que les gens ont fait à l'époque », a déclaré Sing. "Et cette génération de scientifiques a ressenti cela parce que les gens l'ont fait pour eux avec le télescope spatial Hubble. Il y a donc cet héritage où vous récoltez les fruits de ce que des scientifiques chevronnés ont fait il y a 20 ans. Et vous voulez vous assurer que cet héritage se poursuivra dans 20 ans.

Parce que se demander si la vie pourrait exister au-delà de la Terre est l'une des questions les plus profondes auxquelles la science est confrontée aujourd'hui, et elle ne sera pas résolue rapidement. L'Observatoire des mondes habitables est la prochaine étape de ce voyage, mais ce ne sera pas le point final.

"C'est une entreprise multigénérationnelle, probablement multi-siècle dans laquelle nous sommes", a déclaré Gaudi. "Et je pense que nous devons être optimistes quant à ce processus, mais nous devons également être humbles."