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Remake d’une mission spatiale annulée?

La caractérisation des exoplanètes habitables ou même habitées est l’un des objectifs ultimes de l’astrophysique moderne. Actualiser le concept d’une mission spatiale qui a été annulée il y a dix ans serait très prometteur. C’est la conclusion d’un article de Jens Kammerer et Sascha Quanz de l’EPF de Zürich et membres de PlanetS. Leurs simulations montrent qu’un interféromètre spatial dans l’infrarouge moyen pourrait détecter directement plus de 300 exoplanètes pour la plupart petites et proches.

Combinaison de la lumière provenant de différents télescopes différents: impression d’artiste du concept de la mission Darwin de l’ESA. (Image IAS)

Et si l’ESA avait effectivement lancé Darwin, une mission spatiale formée de quatre ou cinq sondes et conçues pour réaliser une imagerie à haute résolution d’exoplanètes terrestres? Telle est la question posée par le scientifique Sascha Quanz et son étudiant en master Jens Kammerer dans une étude acceptée pour publication dans la revue «Astronomie et Astrophysique». «Nous avons montré que la mission aurait pu détecter directement plus de 300 exoplanètes, soit beaucoup plus que tous les projets d’imagerie directe actuellement prévus», assure Sascha Quanz.

Pour leur étude, les chercheurs ont simulé des milliers de systèmes exoplanétaires autour de 326 étoiles proches. Les simulations ont été basées sur les données de la mission Kepler de la NASA qui fournit, pour la première fois, des statistiques robustes pour le taux d’occurrence des exoplanètes en fonction de leur taille, leur période orbitale et le type de leur étoile hôte, révélant que les planètes de petite taille sont omniprésentes. Il y a plus de 10 ans, lorsque l’ESA et la NASA travaillaient sur des modèles possibles pour une mission de recherche de petites planètes terrestres, on connaissait beaucoup moins les exoplanètes et, en raison des problèmes techniques et financiers, les projets ont été abandonnés.

«Les conceptions étaient en effet compliquées, mais beaucoup de progrès ont été réalisés et certains problèmes techniques sont maintenant résolus», explique Sascha Quanz, qui a examiné l’ancien concept d’un projet d’interféromètre d’annulation dans l’infrarouge moyen. Travailler à ces longueurs d’ondes signifie détecter le rayonnement thermique des planètes et non la lumière réfléchie par l’étoile. Le terme «interférométrie d’annulation» désigne la technique utilisée pour annuler la lumière de l’étoile pour pouvoir avoir l’image d’une planète qui est beaucoup plus faible. L’interféromètre se compose de différents télescopes précisément alignés et d’une plateforme centrale. La lumière des étoiles atteignant certains des télescopes est retardée avant d’être combinée à nouveau sur la plateforme centrale provoquant interférence et annulation du faisceau de l’étoile. Le rayonnement d’une planète, cependant, est retardé entre un télescope et l’autre puisque la planète est située à l’écart de l’étoile centrale. En retardant le rayonnement de la planète une deuxième fois, les faisceaux combinés sont renforcés plutôt que annulés.

85 planètes habitables voire habitées

Kammerer et Quanz ont calculé lors d’une simulation qu’un peu moins de la moitié des planètes qui pourraient être détectées par cet interféromètre orbitent des étoiles naines rouges, telles que Proxima Centauri ou TRAPPIST-1, qui ont le rendement planétaire le plus élevé par étoile. L’autre moitié orbitent des étoiles semblables à notre Soleil. Plus intéressant, cependant, 85 planètes pourraient être habitables ou même habitées avec des rayons compris entre 0,5 et 1,75 fois le rayon de la Terre et des températures efficaces comprises entre 200 et 450 Kelvin (-73 et 177 Celsius). Celles-ci devraient être des objectifs privilégiés pour des observations spectroscopiques et pour une caractérisation en profondeur dans une deuxième phase.

Par rapport aux autres observatoires et missions, l’interféromètre spatial est celui dont le rendement est le plus élevé. «Bien qu’en étant des tremplins importants pour faire des découvertes décisives, la prochaine génération de télescopes terrestres de 30 à 40 mètres ne permettra la détection que d’une poignée, peut-être une douzaine, de petites exoplanètes autour des étoiles les plus proches», ont écrit les chercheurs de l’EPF dans leur papier. Une alternative très prometteuse et compétitive à l’interféromètre serait un grand télescope spatial optique dans le proche infrarouge optimisé pour l’imagerie d’exoplanète à contraste élevé. Les concepts d’une telle mission sont actuellement étudiés par la NASA. Ces missions appelées HabEx et LUVOIR détectent la lumière de l’étoile hôte réfléchie par les exoplanètes au lieu de leur rayonnement thermique. En comptant simplement les exoplanètes détectables dans la gamme de température et de taille les plus intéressantes, Sascha Quanz résume: «HabEx/LUVOIR aura de toute façon une moins bonne performance qu’un interféromètre dans l’infrarouge moyen».

Avec leur étude, les chercheurs veulent reprendre la discussion sur l’opportunité d’une grande mission spatiale dédiée à la recherche et à la caractérisation de planètes terrestres. «Les résultats de Kepler nous ont appris que poursuivre avec Darwin n’aurait pas été en vain», écrivent-ils, «une mission spatiale d’interféromètrie dans l’infrarouge moyen semble être un concept très prometteur». Sascha Quanz est convaincu qu’une tentative coordonnée faite par la communauté des exoplanètes parlant d’une seule voix serait une voie viable.

Jens Kammerer and Sascha P. Quanz: Simulating the Exoplanet Yield of a Space-based MIR Interferometer Based on Kepler Statistics, accepted for publication in Astronomy & Astrophysics, September 2017
https://arxiv.org/abs/1707.06820