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Scruter les atmosphères et le climat des exoplanètes

Après avoir été capable de mesurer les masses puis les diamètres des exoplanètes, deux mesures leur permettant de déduire de quoi elles sont formées, les astronomes cherchent dorénavant à détecter la composition chimique de leurs atmosphères si elles en possèdent. Pendant plusieurs années les annonces de détection d’atmosphère ont défrayé la chronique avant d’être remises en question avant d’être avérées depuis peu. Les membres du NCCR sont à la pointe de la recherche dans le domaine, ils ont en effet pu détecter du sodium, du fer et de l’hélium alors que des chercheurs d’autres instituts ont fait de même avec la vapeur d’eau.

Toutes ces mises en évidence, aussi spectaculaires soient-elles ont été réalisées sur des planètes assez grosses, la plus petite ayant la taille de Neptune. La recherche et l’analyse des atmosphères des exoplanètes représentent dorénavant un de ses trois domaines principaux de recherche du NCCR PlanetS dont un des buts est de détecter et d’analyser les atmosphères des petites planètes rocheuses comme la Terre.

Est-il possible de détecter des atmosphères et même de voir de quoi elles sont composées alors que la détection d’exoplanètes nécessite à elle seule d’énormes moyens (le spectrographe ESPRESSO sur le VLT au Chili ou les satellites CHEOPS, KEPLER et TESS). Deux techniques ont actuellement les faveurs des astronomes, la spectroscopie de transmission et l’éclipse secondaire.

Baisse de luminosité d’une étoile due à un transit d’une planète sans et avec atmosphère.

La spectroscopie de transmission

Lorsque qu’une planète passe devant son étoile (transit) elle provoque une mini éclipse ce qui a pour effet de provoquer une petite baisse de luminosité de l’étoile, cette baisse dépend du rayon de la planète, plus la planète est grosse plus la baisse sera importante. Si par hasard la planète qui transite possède une atmosphère, elle paraîtra un peu plus grosse (la baisse de lumière sera plus importante) si on la regarde à une longueur d’onde qui correspond à l’élément contenu dans l’atmosphère. « C’est une technique efficace mais qui demande une très grande précision et dont les résultats ne sont pas toujours aisés à interpréter » explique Christophe Lovis membre de PlanetS, « sur des grosses planètes comme les Jupiter chauds, la différence sur la profondeur est de l’ordre de 10-3 sur un transit dont la profondeur est déjà de l’ordre de 10-2 ». Ce sont donc des mesures qui bien que perturbée par l’atmosphère terrestre et ses éléments chimiques peuvent être faites au sol avec des spectrographes à hautes résolutions comme HARPS ou ESPRESSO. C’est un des points forts des chercheurs de PlanetS, la spectroscopie à haute résolution permet de contourner le problème des telluriques.  Les choses se compliqueront encore plus lorsqu’on cherchera de l’oxygène dans des atmosphères d’exoplanètes type Terre (si on en trouve), en effet la différence de profondeur est de l’ordre de 10-6  pour le couple Terre-Soleil ! « Impossible à réaliser avec les instruments actuels » soupire Christophe Lovis, « mais si on regarde du côté des étoiles naines M beaucoup plus petite comme TRAPPIST-1 le rapport monte alors à 10-5et là ça sera peut-être possible avec le JWST ou avec les nouveaux spectrographes dans l’infra-rouge comme NIRPS ou HIRES sur l’ELT ».

Soustraction des spectre : (étoile + planète) – étoile = planète (credit Nasa)

L’éclipse secondaire

L’autre technique, celle de l’éclipse secondaire, consiste en la soustraction du spectre de l’étoile et de la planète de celui de l’étoile seule (quand la planète passe derrière l’étoile). Une technique qui dépend de longueur d’onde, un objet chaud orbitant une étoile froide sera plus facilement analysable puisque la différence du  niveau des spectres est moins élevée. Il faut là aussi observer depuis l’espace avec des engins comme le HST ou le satellite américain SPITZER, une technique qui reste pour le moment inutilisable pour des petites planètes comme la Terre. Avec des instruments au sol de haute résolution spectrale (HARPS) on arrive cependant à déduire de l’analyse de la forme des raies comme celles du sodium, la rotation et la vitesse des vents de Jupiters chauds.

« Si on mise beaucoup sur ESPRESSO et CHEOPS pour étudier les exoplanètes » assure Christophe Lovis, « nous ne négligeons pas pour autant notre système solaire ». En effet le domaine 3 de PlanetS compte sur les images de Mars prises par CaSSIS, la caméra de l’Université de Berne installée sur  la sonde européenne TGO autour de Mars et dans un futur proche sur BELA (un altimètre laser) parti avec BepiColombo, également de l’Université de Berne qui devrait arriver sur Mercure en 2026.

Des instruments pour l’ELT

Les astronomes du domaine 3 de PlanetS voient encore plus loin, notamment du côté de l’Extremely Large Telescope (ELT) au Chili et d’un prochain spectrographe spécialement conçu pour le télescope géant au miroir de 40m de diamètre. HIRES, c’est son nom, est placé sous la direction de l’Italie avec comme partenaire principal l’Université de Genève et avec une collaboration de l’Université de Berne. « La phase A du développement de l’instrument est terminée, de notre côté nous avons élaboré le concept du contrôle thermique et du design optique et les Bernois ont travaillé sur l’unité de calibration » explique Christophe Lovis. Pour la phase B, soit le design préliminaire, les astronomes ont du présenter le projet devant la commission FLARE  du Fonds nationale de la recherche début février.

« Il s’agit d’une sorte de compétition pour le développement d’instruments qui inclut les demandes de la physique des particules et de l’astrophysique. « Les astronomes ne partent pas favoris dans ce genre de compétition, il est difficile de rivaliser avec des instituts comme le CERN par exemple » assure Christophe Lovis, « mais avec l’ESO et l’ELT, nous avons certainement plus de poids maintenant ». L’ELT est prévu pour 2025 et HIRES pour 2028, il existe cependant un autre instrument, METIS, qui a aussi été présenté devant la commission FLARE par Sascha Quanz de PlanetS. METIS est un spectrographe imageur dans l’infrarouge pour faire de l’imagerie direct dont la conception a été faite avec une participation de l’EPFZ .  « Ce qui serait fantastique » s’enthousiasme Christophe Lovis « c’est que les deux projets soient acceptés, on pourrait alors rêver de faire converger les deux instruments pour obtenir spectre et image », mais ça c’est vraiment de la musique d’avenir. (PB)

http://nccr-planets.ch/research/phase2/
http://nccr-planets.ch/blog/2018/12/06/a-planet-inflated-like-a-balloon/
http://nccr-planets.ch/blog/2018/08/16/iron-and-titanium-in-the-atmosphere-of-an-exoplanet/

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