Le concept de cet artiste montre la géométrie d’un télescope spatial aligné avec un starshade, une technologie utilisée pour bloquer la lumière des étoiles afin de révéler la présence de planètes en orbite autour de cette étoile.
Crédit : NASA/JPL-Caltech
La planification est en cours pour l’Observatoire des mondes habitables de la NASA
Début août, des scientifiques et des ingénieurs se sont réunis dans un petit auditorium de Caltech pour discuter de la manière de construire le premier télescope spatial capable de détecter la vie sur des planètes comme la Terre. Le concept de mission proposé, appelé Observatoire des mondes habitables (HWO), serait le prochain observatoire d’astrophysique puissant après NASAc’est Télescope spatial James Webb (JWST). Il aurait la capacité d’étudier les étoiles, les galaxies et une foule d’autres objets cosmiques, y compris des planètes situées en dehors de notre système solaire, appelées exoplanètes. Bien que trouver de la vie sur des exoplanètes soit peut-être un long chemin, l’atelier de Caltech visait à évaluer l’état de la technologie dont HWO a besoin pour rechercher la vie ailleurs.
« Avant de pouvoir concevoir la mission, nous devons développer les technologies clés autant que possible », déclare Dimitri Mawet, membre du groupe d’évaluation technique (TAG) pour HWO, professeur d’astronomie David Morrisroe et chercheur scientifique principal. au Jet Propulsion Laboratory (JPL), géré par Caltech pour la NASA. « Nous sommes dans une phase de maturation technologique. L’idée est de faire progresser les technologies qui permettront à l’Observatoire des mondes habitables de fournir sa science révolutionnaire tout en minimisant les risques de dépassement de coûts à long terme.
Vue d’artiste de l’exoplanète rocheuse Kepler-186f, qui est l’un des candidats les plus prometteurs pour devenir une planète potentiellement habitable, mais dans quelle mesure doit-elle être similaire ou différente par rapport à la Terre pour pouvoir accueillir la vie ? Crédit : NASA/Ames/SETI Institute/JPL–Caltech.
Origine et objectif de HWO
Proposé pour la première fois dans le cadre de l’enquête décennale sur l’astronomie et l’astrophysique 2020 (Astro2020) de l’Académie nationale des sciences, une feuille de route sur 10 ans qui définit les objectifs de la communauté astronomique, HWO serait lancé à la fin des années 2030 ou au début des années 2040. Le temps d’observation de la mission serait réparti entre l’astrophysique générale et exoplanète études.
« Le Decadal Survey a recommandé cette mission comme sa priorité absolue en raison des capacités de transformation qu’elle aurait pour l’astrophysique, ainsi que de sa capacité à comprendre des systèmes solaires entiers en dehors du nôtre », a déclaré Fiona Harrison, l’une des deux présidentes du rapport décennal Astro2020. et le professeur Harold A. Rosen de physique à Caltech, ainsi que la chaire de leadership Kent et Joyce Kresa de la Division de physique, de mathématiques et d’astronomie.
Avancées et défis technologiques
La capacité du télescope spatial à caractériser les atmosphères des exoplanètes, et donc à rechercher des signatures susceptibles d’indiquer la vie, dépend de technologies qui bloquent l’éblouissement d’une étoile lointaine. Il existe deux manières principales de bloquer la lumière de l’étoile : un petit masque interne au télescope, appelé coronographe, et un grand masque externe au télescope, appelé starshade. Dans l’espace, les ombres stellaires se déploieraient en une structure géante en forme de tournesol, comme le montre l’animation suivante.
Cette animation montre le prototype du starshade, une structure géante conçue pour bloquer l’éblouissement des étoiles afin que les futurs télescopes spatiaux puissent prendre des photos des planètes. Crédit : NASA
Dans les deux cas, la lumière des étoiles est bloquée, de sorte que la faible lumière des étoiles réfléchie par une planète proche est révélée. Le processus est similaire à celui de lever la main pour bloquer le soleil tout en prenant une photo de vos amis souriants. En capturant directement la lumière d’une planète, les chercheurs peuvent ensuite utiliser d’autres instruments appelés spectromètres pour scruter cette lumière à la recherche de signatures chimiques. Si une vie est présente sur une planète en orbite autour d’une étoile lointaine, alors les inspirations et expirations collectives de cette vie pourraient être détectables sous la forme de biosignatures.
« Nous estimons qu’il y a jusqu’à plusieurs milliards de planètes de la taille de la Terre dans la zone habitable de notre seule galaxie », explique Nick Siegler, technologue en chef du programme d’exploration des exoplanètes de la NASA au JPL. La zone habitable est la région autour d’une étoile où les températures sont adaptées à l’eau liquide. « Nous voulons sonder l’atmosphère de ces exoplanètes pour rechercher de l’oxygène, du méthane, de la vapeur d’eau et d’autres produits chimiques qui pourraient signaler la présence de vie. Nous n’allons pas voir de petits hommes verts mais plutôt des signatures spectrales de ces produits chimiques clés, ou ce que nous appelons des biosignatures. »
Selon Siegler, la NASA a décidé de se concentrer sur la voie du coronographe pour le concept HWO, en s’appuyant sur les récents investissements dans le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, qui utilisera un coronographe avancé pour imager les exoplanètes géantes gazeuses. (L’IPAC de Caltech abrite le Roman Science Support Center). Aujourd’hui, les coronographes sont utilisés sur plusieurs autres télescopes, notamment les observatoires en orbite JWST, Hubble et au sol.
Sara Seager du MIT a donné une conférence lors de l’atelier Caltech intitulée « Vers la suppression de la lumière stellaire pour l’observatoire des mondes habitables ». Crédit : Caltech
Innovations et perspectives d’avenir
Mawet a développé des coronographes destinés à être utilisés dans les instruments de l’observatoire WM Keck au sommet de Maunakea, une montagne de la grande île d’Hawaï. La version la plus récente, connue sous le nom de coronographe à vortex, a été inventée par Mawet et réside à l’intérieur du Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC), un instrument qui permet aux chercheurs d’imager et d’étudier directement les émissions thermiques d’exoplanètes géantes gazeuses jeunes et chaudes. Le coronographe annule la lumière d’une étoile au point que l’instrument peut prendre des photos de planètes environ un million de fois plus faibles que leurs étoiles. Cela permet aux chercheurs de caractériser en détail les atmosphères, les orbites et les spins des jeunes exoplanètes géantes gazeuses, contribuant ainsi à répondre aux questions sur la formation et l’évolution d’autres systèmes solaires.
Mais l’imagerie directe d’une planète jumelle, la Terre, où la vie telle que nous la connaissons est la plus susceptible de s’épanouir, nécessitera un perfectionnement massif des technologies actuelles. Les planètes comme la Terre qui gravitent autour d’étoiles semblables au Soleil dans la zone habitable se perdent facilement dans l’éclat de leurs étoiles. Notre propre soleil, par exemple, surpasse de 10 milliards de fois la lumière de la Terre. Pour qu’un coronographe atteigne ce niveau de suppression de la lumière des étoiles, les chercheurs devront pousser leurs technologies à l’extrême. « À mesure que nous nous rapprochons de ce niveau requis de suppression de la lumière des étoiles, les défis deviennent exponentiellement plus difficiles », explique Mawet.
Grâce à la narration du Dr Nick Siegler, responsable technologique du programme d’exploration des exoplanètes de la NASA, cette version fournit une explication détaillée du fonctionnement du coronographe et de la manière dont il peut aider à imager directement les exoplanètes. Crédit : NASA
Les participants à l’atelier Caltech ont discuté d’une technique de coronographe qui consiste à contrôler les ondes lumineuses (voir vidéo ci-dessus) avec un miroir déformable ultra précis à l’intérieur de l’instrument. Même si les coronographes peuvent bloquer une grande partie de la lumière d’une étoile, la lumière parasite peut toujours se frayer un chemin jusqu’à l’image finale, apparaissant sous forme de taches. En utilisant des milliers d’actionneurs qui poussent et tirent sur la surface réfléchissante du miroir déformable, les chercheurs peuvent annuler les gouttes de lumière résiduelle des étoiles.
La prochaine Nancy Grace Télescope spatial romain sera le premier à utiliser ce type de coronographe, dit « actif » car son miroir sera activement déformé. Après d’autres tests au JPL, le coronographe romain sera finalement intégré au télescope final du Goddard Space Flight Center de la NASA et lancé dans l’espace au plus tard en 2027. L’instrument du coronographe romain permettra aux astronomes d’imager des exoplanètes peut-être jusqu’à un milliard de fois plus faibles que leurs étoiles. Cela inclut les géantes gazeuses matures et jeunes ainsi que les disques de débris laissés par le processus de formation des planètes.
« L’instrument coronographe romain est la prochaine étape de la NASA sur la voie de la découverte de la vie en dehors de notre système solaire », déclare Vanessa Bailey, technologue en instruments pour le coronographe de Roman au JPL. « L’écart de performance entre les télescopes actuels et l’Observatoire des mondes habitables est trop important pour être comblé d’un seul coup. Le but de l’instrument coronagraphe romain est de servir de tremplin intermédiaire. Il démontrera plusieurs des technologies nécessaires, notamment les masques coronographes et les miroirs déformables, à des niveaux de performance jamais atteints auparavant en dehors du laboratoire.
La quête visant à imager directement une Terre jumelle autour d’une étoile semblable au Soleil nécessitera de pousser encore plus loin la technologie derrière le coronographe de Roman. «Nous devons être capables de déformer les miroirs avec une précision picométrique», explique Mawet. « Nous devrons supprimer la lumière des étoiles d’un autre facteur d’environ 100 par rapport au coronographe de Roman. L’atelier nous a aidé à déterminer où se situent les lacunes de notre technologie et où nous devons faire davantage de développement au cours de la décennie à venir.
D’autres sujets de conversation lors de l’atelier comprenaient le meilleur type de miroir primaire à utiliser avec le coronographe, les revêtements de miroir, la gestion des dommages causés aux miroirs par les micrométéoroïdes, les technologies de miroirs déformables, ainsi que les détecteurs et les outils avancés pour la modélisation et la conception intégrées. Les ingénieurs ont également fourni une mise à jour sur l’état du starshade et son état de préparation technologique.
La route pour découvrir les jumeaux de la Terre
Pendant ce temps, à mesure que la technologie progresse, d’autres scientifiques ont les yeux rivés sur les étoiles à la recherche de planètes semblables à la Terre que le HWO pourrait imager. Plus de 5 500 exoplanètes ont été découvertes jusqu’à présent, mais aucune d’entre elles ne ressemble réellement à la Terre. Les outils de chasse aux planètes, tels que le nouveau Keck Planet Finder (KPF) dirigé par Caltech à l’observatoire de Keck, sont devenus mieux équipés pour trouver des planètes en recherchant les remorqueurs qu’elles exercent sur leurs étoiles lorsqu’elles orbitent autour. Les planètes plus lourdes exercent davantage de traction, tout comme les planètes qui gravitent plus près de leurs étoiles. KPF a été conçu pour trouver des planètes de la taille de la Terre dans les zones habitables des petites étoiles rouges (les zones habitables des étoiles rouges sont plus proches). Avec des améliorations supplémentaires au cours des prochaines années, KPF pourrait être en mesure de détecter les jumeaux terrestres.
Au moment du lancement de HWO, à la fin des années 2030 ou au début des années 2040, les scientifiques espèrent disposer d’un catalogue d’au moins 25 planètes semblables à la Terre à explorer.
Malgré le long chemin à parcourir, les scientifiques présents à l’atelier ont discuté avec enthousiasme de ces défis avec leurs collègues venus de tout le pays à Pasadena. La directrice du JPL, Laurie Leshin (MS ’89, PhD ’95) a donné un discours d’encouragement au début de la réunion. «C’est un défi passionnant et intimidant», a-t-elle déclaré. «Mais c’est pour cela que nous vivons tous. Nous ne le faisons pas seuls. Nous le faisons en collaboration.
