Les chercheurs ont développé un nouveau coronagraphe – un dispositif optique qui bloque la lumière d'une source lumineuse – qui pourrait permettre de voir des exoplanètes éloignés obscurcis par la lumière de leurs étoiles parents. Le nouvel appareil pourrait révéler des exoplanètes au-delà de notre système solaire que les télescopes d'aujourd'hui ne peuvent pas résoudre, fournissant des informations sur la possibilité de la vie au-delà de la Terre.
« Des planètes en forme de terre dans la zone habitable – la région autour d'une étoile où les températures pourraient permettre à l'eau liquide d'exister – peut facilement être jusqu'à un milliard de fois plus gradable que leur star hôte », a déclaré le chef de l'équipe de recherche Nico Deshler de l'Université de l'Arizona.
« Cela les rend difficiles à détecter parce que leur faible lumière est submergée par la luminosité de l'étoile. Notre nouveau design corongraph siphonne la lumière des étoiles qui pourrait obscurcir la lumière des exoplanet avant de capturer une image. »
Dans Optica, Les chercheurs montrent que le nouveau coronagraphe peut théoriquement atteindre les limites fondamentales de la détection et de la localisation des exoplanètes fixées par l'optique quantique. Ils l'ont également utilisé pour capturer des images qui leur ont permis d'estimer la position des exoplanètes artificiels avec des distances de leur star hôte jusqu'à 50 fois plus petites que ce que la limite de résolution du télescope permettrait normalement.
« Par rapport à d'autres conceptions de coronagraph, la nôtre promet de fournir plus d'informations sur les exoplanètes dits de sous-diffraction – celles qui se trouvent en dessous des limites de résolution du télescope », a déclaré Deshler. « Cela pourrait nous permettre de détecter potentiellement les biosignatures et de découvrir la présence de la vie parmi les étoiles. »
Aveuglé par la lumière
L'analyse optiquement des exoplanètes pose un défi formidable car, à des échelles astronomiques, ils sont souvent trop proches de leur étoile parent pour les télescopes actuels. Les exoplanètes peuvent également être des ordres de magnitude que leur étoile hôte. Bien que les astronomes aient développé diverses façons de déduire indirectement la présence d'une planète autour d'une étoile potentielle, l'observation directement des exoplanètes dans les images serait idéale.
Avec le télescope spatial de nouvelle génération de la NASA, l'Observatoire des mondes habitables (HWO), étant dédié à la science des exoplanètes, de nombreux conceptions de coronagraphes ont émergé, chacune avec des compromis de performance pratiques et théoriques différents.
Dans le même temps, des travaux récents ont montré que les notions traditionnelles de résolution pour les télescopes ne reflètent pas les limites fondamentales et peuvent être contournées avec un prétraitement optique minutieux.
Inspirés par ces développements, les chercheurs ont décidé d'utiliser un trieur de mode spatial disponible dans leur laboratoire pour développer un coronagraphe amélioré qui rejette théoriquement toute la lumière d'une étoile sur l'axe tout en atteignant le débit maximal d'une exoplanet hors axe.
Tout comme les notes de piano émettent différentes fréquences acoustiques, les sources lumineuses dans l'espace excitent différents modes spatiaux – des formes uniques et des motifs d'oscillation – en fonction de leur position. Les chercheurs ont séparé ces différents modes à l'aide d'un trieur de mode pour isoler et éliminer la lumière d'une étoile et un trieur de mode inverse pour recomposer le champ optique après le rejet de la lumière des étoiles. Cela a permis de capturer une image de l'exoplanet sans l'étoile.
« Notre coronagraphe capture directement une image de l'exoplanet, par opposition à ne mesurer que la quantité de lumière de l'exoplanet sans aucune orientation spatiale », a déclaré Deshler. « Les images peuvent fournir des informations de contexte et de composition qui peuvent être utilisées pour déterminer les orbites d'exoplanet et identifier d'autres objets qui dispersent la lumière d'une étoile, comme des nuages de poussière exozodiacaux. »
Imagerie à faibles exoplanètes
Après avoir configuré leur coronagraphe dans le laboratoire, les chercheurs ont construit une scène artificielle-exoplanet d'étoile dans laquelle l'exoplanet a été positionnée suffisamment près de l'étoile pour être non résoluble avec un télescope traditionnel. Le rapport de contraste entre l'étoile et la planète a été fixé à 1000: 1.
Les chercheurs ont scanné la position de l'exoplanet pour simuler une orbite où la planète traverse devant l'étoile, puis a tenté de déterminer sa position dans chaque cadre. Les images capturées avec leur configuration expérimentale incorporant le nouveau coronagraphe leur ont permis d'estimer la position de l'exoplanet aux séparations de la planète-star de la sous-diffraction.
Les chercheurs s'efforcent d'améliorer le trieur de mode pour réduire la diaphonie, un type d'interférence dans lequel la lumière s'échappe à travers différents modes optiques. Pour les scènes avec des niveaux de contraste modérés, la diaphonie n'est pas très problématique. Cependant, les contrastes extrêmes trouvés dans la science des exoplanet nécessiteraient un trieur de mode spatial à très haute fidélité pour isoler suffisamment la lumière de l'étoile.
Les chercheurs disent que cette expérience de preuve de principe pourrait inspirer une exploration plus approfondie du prétraitement optique avec des trieurs en mode spatial dans la future instrumentation astronomique. Par exemple, les méthodes de filtrage du mode spatial qu'ils ont utilisées pourraient aborder des scénarios plus complexes, tels que le traitement des étoiles comme des objets étendus, et peuvent également conduire à de nouvelles méthodes d'imagerie pour la détection quantique, l'imagerie médicale et les communications.
