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Une technique de détection de l'eau pour présélectionner des exoplanètes potentiellement habitables

Jusqu'ici, le télescope spatial de la NASA, Kepler, a permis la découverte de 2 325 exoplanètes. Mais ces dernières ne sont pas toutes habitables. L'équipe du projet HOTMOL conçoit des outils qui reposent sur la spectropolarimétrie. Ces derniers visent à faciliter la détection d'exoplanètes habitables, à identifier les différentes conditions atmosphériques des planètes sur lesquelles se trouve de l'eau et à mieux comprendre l'origine et l'évolution des champs magnétiques planétaires.
Une technique de détection de l'eau pour présélectionner des exoplanètes potentiellement habitables
D'où viennent les champs magnétiques des planètes, comment évoluent-ils et quelle est leur efficacité en matière de protection de l'atmosphère contre la déshydratation induite par le vent stellaire? La détection des champs magnétiques des planétésimaux et des exoplanètes viendra éclairer d'un jour nouveau notre compréhension de l'habitabilité.

Pour être considéré comme une exoplanète, un objet céleste doit remplir quatre conditions: avoir une masse ou une masse minimale inférieure ou égale à 30 fois la masse de Jupiter; disposer d'une étoile hôte; avoir été observé et validé suffisamment de fois pour exclure la possibilité d'un faux positif; et que ces informations et données sur son orbite et ses propriétés physiques soient publiées dans des articles comité de lecture.

Mais, l'identification d'une planète similaire à la Terre, qui pourrait porter la vie, n'est pas si simple. La vie telle que nous la connaissons nécessite de l'eau liquide, élément que les technologies actuelles ne peuvent détecter.

Pour résoudre ce problème le projet HOTMOL (Hot molecules in exoplanets and inner disks), financé par l'UE, utilise la spectropolarimétrie dans l'espoir de détecter des molécules chaudes — vapeur d'eau ou autres molécules volatiles — sur les exoplanètes et au sein des disques protoplanétaires.

Le projet HOTMOL est dirigé par la professeur Dr Svetlana Berdyugina de l'université Albert Ludwigs, à Freiburg en Allemagne. Elle présente comment son équipe travaille à l'obtention de méthodes de détection haute sensibilité de molécules chaudes sur les exoplanètes et explique pourquoi ces résultats sont essentiels au développement de notre compréhension des systèmes planétaires et de leurs étoiles.

Comment la présence de molécules chaudes peut-elle nous renseigner sur la présence d'eau sur certaines exoplanètes?

Les étoiles et les Jupiter chaudes contiennent des molécules d'eau chaudes, à des milliers de degrés. Les molécules d'eau froides et la glace se trouvent quant à elles dans les nuages interstellaires et à la périphérie du système solaire, à une température de quelques kelvins.

Pour que la vie telle que nous la connaissons apparaisse, il est indispensable que de l'eau liquide se trouve sur la surface de la planète. Mais il n'est pas encore possible de la détecter sur la surface des exoplanètes, encore moins sur une planète de la taille de la Terre et potentiellement habitable. Cependant, nous savons que si de l'eau est présente à la surface d'une planète, elle doit également être présente dans son atmosphère — avec d'autres molécules associées — sous forme de vapeur créée sous l'effet des radiations stellaires. Ces molécules chaudes sont les clés qui permettent de définir l'habitabilité d'une planète. La conception de méthodes assez sensibles pour les détecter sur des exoplanètes est donc la première étape vers la découverte d'une vie extraterrestre.

Quel genre de méthode avez-vous mis au point pour détecter ces molécules?

Dans l'étude des systèmes exoplanétaires, la séparation de la lumière des exoplanètes de celle des étoiles, plus brillantes, représente la principale difficulté. Pour cela, l'équipe du projet HOTMOL emploie une technique différentielle double appelée la spectropolarimétrie.

Tout d'abord, le signal issu de la planète est isolé grâce aux raies spectrales. En effet, certaines molécules peuvent être absentes du spectre des étoiles ou leur vitesse décalée par rapport à celle observée dans les raies stellaires. Ensuite, les raies spectrales des planètes deviennent visibles en lumière polarisée à l'approche de certaines phases orbitales. Par conséquent, ces raies apparaissent et disparaissent en lumière polarisée, à intervalles réguliers, au fur et à mesure que la planète avance sur son orbite. Cette approche augmente le niveau de sensibilité de la détection d'au moins un ordre de grandeur. Elle sert également de vérification à la détection de molécules via spectroscopie uniquement.

La combinaison des signaux spectraux et de polarisation fournit des informations uniques sur les conditions physiques des exoplanètes et des planétésimaux proche des étoiles. De façon inattendue, ce projet a également permis de détecter des organismes photosynthétiques sur des planètes distantes, en utilisant la même technique. Nous avons mesuré le spectre polarisé de plantes et de bactéries terrestres. Ensuite, nous avons pu calculer le spectre de planètes similaires à la Terre qui ont des biosignatures photosynthétiques. Nous avons montré que notre technique est bien plus sensible que d'autres à de telles biosignatures. De tels signaux pourront être recherchés par les grands télescopes actuels dans quelques systèmes planétaires voisins, notamment autour des étoiles Alpha Centauri A et B, si des planètes y sont découvertes un jour.

Comment les techniques existantes soutiennent-elles la comparaison avec celles que vous développez?

Actuellement, les observations n'utilisent que des flux et des spectres non polarisés pour détecter des exoplanètes. L'équipe HOTMOL vise à donner à ces études les moyens d'utiliser la lumière polarisée. Comme mentionné auparavant, la sensibilité est déjà meilleure d'un ordre de grandeur en lumière polarisée mais elle peut encore être améliorée au moyen de nouvelles technologies optiques et électroniques.

De plus, les variations de flux polarisées sont observables indépendamment du fait que la planète passe devant l'étoile. Cette technique peut donc s'appliquer à plus d'exoplanètes. Une technique de corrélations spectrales croisées employée par d'autres équipes s'est avérée utile à la détection d'exoplanètes. Améliorée grâce à des mesures polarisées, elle fournira de nombreuses informations sur la physique de ces atmosphères.

Quels sont les prérequis techniques à l'utilisation de ces outils dans la recherche sur les exoplanètes ?

Notre objectif est double: tout d'abord développer de nouvelles techniques puis faciliter leur utilisation par le plus grand nombre. L'un des principaux prérequis consiste à disposer d'équipements d'observation dédiés, comme un réseau de télescopes équipés de polarimètres à haute sensibilité.

Avec nos collègues de l'université de Turku (Finlande) et de l'université d'Hawaii (États-Unis) nous avons construit plusieurs copies de nos polarimètres à haute sensibilité, qui sont utilisées sur des télescopes à travers le monde: à La Palma et Tenerife (Canaries), Mauna Kea et Haleakala (Hawaii) et, à la fin de cette année, également en Tasmanie. Nous sommes aussi membres du consortium PLANETS (Polarized Light from Atmospheres of Nearby Extra-Terrestrial Systems) avec les universités d'Hawaii (États-Unis) and Tohoku (Japon). Ce consortium œuvre à la construction d'un télescope à Haleakala, qui rejoindra notre réseau d'équipements dédiés.

Mais la détection sans équivoque d'une forme de vie sur une exoplanète nécessite un équipement bien plus important. Les premières étapes seront peut-être franchies grâce aux télescopes de 30 m, tels que ESO E-ELT, dont la construction est prévue au Chili. Cependant l'étude systématique de la répartition de la vie aux abords du système solaire nécessitera un système de 100 m de diamètre, comme les télescopes Colossus et Exo-Life Finder (ELF), auxquels nous fournissons des cas scientifiques.

Que vous reste-t-il à accomplir avant la fin du projet?

Pendant les quatre ans du projet, nous avons développé de nombreux outils théoriques, obtenu et analysé un grand volume de données d'observation. La dernière année du projet est consacrée à la finalisation des nombreuses publications que les membres de l'équipe préparent actuellement. Vers la fin de la cinquième année nous organiserons une conférence internationale sur les molécules chaudes et les biosignatures des exoplanètes. À cette occasion, nous présenterons nos résultats et le fonctionnement de nos outils à la communauté.

À quel moment ces outils seront-ils mis à la disposition de la communauté et comment?

L'un des principaux objectifs de HOTMOL est de permettre l'utilisation de nos outils théoriques par une large communauté. Ainsi, nous avons développé un site web sur lequel nos outils peuvent être exécutés en ligne, même à partir d'un smartphone. Ces outils permettent désormais le calcul des propriétés magnétiques et des spectres polarisés de molécules, des transits et éclipses des exoplanètes, de la lumière polarisée reflétée par celles-ci ainsi que de la polarisation stellaire dispersée. Nous continuons à ajouter de nouveaux outils destinés à l'étude des exoplanètes et ce site web restera accessible après la fin du projet. Nos ressources comprennent également les données obtenues avec nos instruments. L'utilisation des outils est gratuite pour tous via une inscription en ligne.

HOTMOL
Financé sous FP7-IDEAS-ERC
site web du projet
page du projet sur CORDIS

Source: Entretien extrait du magazine research*eu consacré aux résultats, n° 53 p.9-11

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Numéro d'enregistrement: 125623 / Dernière mise à jour le: 2016-06-24
Catégorie: Entretiens
Fournisseur: ec