Astronomie

Si des milliers d'exoplanètes ont été découvertes, pourquoi n'avons-nous pas encore découvert la planète 9 ?

Si des milliers d'exoplanètes ont été découvertes, pourquoi n'avons-nous pas encore découvert la planète 9 ?

Selon la NASA, nous avons découvert jusqu'à présent 3 453 exoplanètes [1]. Certains des plus éloignés se trouvant à 13 000 années-lumière [2]. Cela suggérerait aujourd'hui que les scientifiques ont une capacité vraiment avancée pour ce genre de découvertes. Cependant, l'existence d'une neuvième planète dans le système solaire (qui a non seulement été proposée mais ses caractéristiques sont déjà prédites avec une grande précision[3]) n'a pas encore été découverte. Si une neuvième planète existait dans notre système solaire, n'aurait-elle pas déjà dû être découverte ? Comment des exoplanètes à des milliers d'années-lumière peuvent-elles être découvertes chaque semaine, alors qu'une planète géante juste dans notre arrière-cour reste inconnue ?


Il y a deux raisons principales pour lesquelles Planet Nine (si elle existe) est extrêmement difficile à détecter : elle est très faible et sa position n'est pas bien contrainte.

  • Luminosité - Nous sommes capables de voir les planètes de notre système solaire car elles réfléchissent la lumière du soleil. La quantité de lumière qu'ils réfléchissent dépend de la taille de l'objet, de son degré de réflexion et (le plus important) de la quantité de lumière solaire qui le frappe. La distance hypothétique à laquelle la planète neuf est en orbite est si éloignée qu'elle ne recevra qu'une infime quantité de lumière solaire. À cette distance, sa magnitude apparente serait supérieure à 22. En comparaison, la magnitude apparente de Pluton est d'environ 15. La magnitude est une échelle logarithmique, ce qui signifie que Planet Nine serait de 631 $ fois plus faible que Pluton, ce qui la rend incroyablement difficile à voir. .

  • Poste inconnu - Les estimations des caractéristiques de Planet Nine sont basées sur la façon dont elle perturbe gravitationnellement les orbites de certains objets transneptuniens. Sur la base de ces observations, les scientifiques peuvent calculer où il est susceptible de se trouver, mais ces calculs dépendent de sa taille. Les estimations de sa masse vont de 2 à 4 fois la masse de la Terre. Et tout cela ne sont que des estimations, nous donnant une parcelle de ciel relativement grande à rechercher pour trouver la planète neuf.

En combinant ces deux raisons, il est très difficile de rechercher Planet Nine. Nous recherchons un objet incroyablement sombre dans une grande zone du ciel.


Maintenant, lorsque nous cherchons des exoplanètes, les choses sont en fait beaucoup plus faciles. Pour détecter les exoplanètes, nous ne cherchons presque jamais directement les planètes. Nous n'avons détecté qu'une vingtaine de planètes par imagerie directe. Au lieu de cela, nous regardons la lumière de l'étoile. Les étoiles sont de plusieurs ordres de grandeur plus brillantes que les planètes et sont très faciles à voir. Tout ce que nous avons à faire est de voir comment la lumière de l'étoile change au fil du temps. Une première méthode détecte les changements dans la vitesse radiale de l'étoile (son mouvement vers ou loin de nous) en utilisant la spectroscopie Doppler. La méthode la plus répandue aujourd'hui, celle utilisée par la mission Kepler, est la photométrie de transit. Nous mesurons le flux lumineux d'une étoile et recherchons les baisses d'intensité causées par la planète en orbite devant l'étoile et bloquant une partie de la lumière.

Parce que nous regardons une étoile, nous n'avons pas les problèmes que nous avons lorsque nous cherchons la planète neuf. Les étoiles sont très brillantes, leurs positions sont connues très précisément, et nous n'avons pas à attendre trop longtemps pour faire une détection. De plus, des sondages comme Kepler sont capables de numériser de très nombreuses étoiles à la fois.


Il n'y a fondamentalement «aucune chance» pour les planètes semblables à la Terre de former une atmosphère autour de jeunes étoiles chaudes

De récents relevés d'exoplanètes suggèrent qu'il pourrait y avoir des milliers de mondes semblables à la Terre dans d'autres systèmes solaires, attendant juste d'être découverts. C'est dommage que leurs atmosphères - et, avec eux, tout espoir de maintenir la vie - aient probablement été oblitérés par leurs stars locales.

C'est en tout cas le résultat impitoyable d'une nouvelle étude publiée le 19 avril dans la revue Astronomy and Astrophysics. Dans le nouvel article, une équipe de chercheurs européens a créé un modèle informatique pour simuler la formation de l'atmosphère sur des planètes semblables à la Terre en orbite autour de jeunes étoiles chaudes. Parce que les jeunes soleils ont tendance à émettre des quantités extrêmement élevées de rayons X et de rayonnement ultraviolet (UV), la plupart des exoplanètes potentiellement habitables verraient probablement leur atmosphère anéantie dans un délai d'un million d'années après la naissance de la planète. [9 Scientifiques excusés pour la raison pour laquelle nous n'avons pas encore trouvé d'extraterrestres]

"Une atmosphère semblable à la Terre ne peut pas se former lorsque la planète est en orbite dans la zone habitable d'une étoile très active", ont écrit les chercheurs dans l'étude. "Au lieu de cela, une telle atmosphère ne peut se former qu'après que l'activité de l'étoile ait diminué à un niveau beaucoup plus bas."

Lorsque les astronomes parlent de l'activité d'une étoile, ils font référence à la quantité de rayonnement émis. Tout comme les humains et les chiots, les jeunes étoiles ont tendance à être très actives, puis diminuent considérablement leur niveau d'activité à mesure qu'elles vieillissent. Les niveaux d'activité précis à différents âges dépendent de la masse de l'étoile.

Dans le cas des étoiles naines M - qui sont légèrement plus petites que le soleil de la Terre et considérées comme le type d'étoile dominant dans les systèmes solaires voisins - cela peut prendre plusieurs milliards d'années avant que l'activité solaire ne diminue à des niveaux comparables au soleil de la Terre aujourd'hui. À cette époque, les chercheurs ont découvert que toute exoplanète en orbite dans la zone habitable autour d'une telle étoile serait bombardée de tellement de radiations qu'il y aurait peu de chances qu'une atmosphère survive aux 100 000 premières années.

En conséquence, la plupart des exoplanètes semblables à la Terre détectées autour des étoiles naines M dans les systèmes solaires voisins ont probablement des atmosphères très minces ou pas du tout, ont conclu les chercheurs, laissant les surfaces de ces planètes exposées aux effets punitifs du rayonnement solaire. Malheureusement, cela signifie que la vie sur les planètes les plus habitables pourrait être plus rare qu'on ne le pensait auparavant.


Un autre jour, une autre exoplanète et les scientifiques ne peuvent tout simplement pas suivre

Comme trouver mondes extraterrestres est devenu plus facile, apprendre chaque détail que les scientifiques peuvent est devenu, peut-être étonnamment, une perte de temps précieux pour les instruments et les ordinateurs.

À ce jour, les scientifiques ont découvert 4 104 exoplanètes confirmées. Mais pour chaque planète confirmée que les astronomes cernent, il y a des poignées de planètes dans les données, des chuchotements dans les données qui pourraient provenir d'étoiles hoquetant ou de paires d'étoiles dansantes ou d'étoiles potentielles qui n'ont pas tout à fait fait la coupe. Et les scientifiques n'ont plus les moyens d'analyser toutes les crises d'identité potentielles de la planète.

« C'est arrivé au point que nous avons tellement de choix maintenant – il y en a tellement candidats passionnants à venir que nous n'avons en fait pas à examiner chacun d'eux et à confirmer chacun d'eux », a déclaré à Space.com Jessie Christiansen, astronome à Caltech et à l'Exoplanet Science Institute de la NASA. « Vous devez vraiment prioriser, vous devez regardez cette liste de planètes qui sortent et dites : « OK, sur laquelle pensons-nous vraiment que nous allons en apprendre le plus ? »"

Confirmer correctement une exoplanète est un processus laborieux qui oblige les scientifiques à déterminer à la fois la taille et la masse de l'objet afin d'exclure d'autres phénomènes se faisant passer pour une planète. Ces observations utilisent des instruments en forte demande des scientifiques étudier une multitude de phénomènes.

Et le processus de confirmation peut prendre beaucoup de temps. Dans les situations particulièrement épineuses, a déclaré Christiansen, cela peut s'étendre jusqu'à un an. "Certaines de ces planètes candidates vraiment, si elles vous accrochent, si cela devient votre problème que vous essayez de résoudre", a-t-elle déclaré, "vous pouvez vous enfoncer tout le temps dans ces choses."

Mais il y a deux manières différentes de en savoir plus sur les exoplanètes. Une approche zoome sur des planètes individuelles pour en apprendre le plus possible - qu'elles soient rocheuses ou gazeuses, qu'elles possèdent une atmosphère et à quoi ressemble cette atmosphère, comment elle est devenue ce qu'elle est. Mais ces questions ne peuvent être résolues que sur les planètes qui orbitent autour d'étoiles particulièrement brillantes, sinon les scientifiques ne peuvent pas obtenir suffisamment de données.

La deuxième approche examine la diversité des planètes à travers l'univers en tant que population. "La mission Kepler s'intéressait aux statistiques", a déclaré Christiansen. "Le but était de mettre des milliers de planètes dans nos seaux et de dire:" OK, celle-ci est la plus courante, celle-ci est la deuxième la plus courante et ce genre de chose. ""

C'est précisément ce que le Télescope spatial Kepler a fait entre 2009 et 2018 au cours de ses deux missions distinctes, appelées Kepler et K2, trouvant plus de 2 500 exoplanètes confirmées. Cette abondance de richesses a provoqué un changement dans les mentalités des scientifiques, a déclaré Christiansen, alors que les mondes individuels devenaient moins uniques.

« Si c'est le 80e Jupiter chaud cela a été trouvé et nous n'avons aucune raison de croire qu'il sera différent des 79 qui l'ont précédé", a-t-elle déclaré, "allons-nous vraiment l'examiner de la même manière que nous avons examiné les 79 premiers ?"

Et ainsi, alors que les découvertes de Kepler s'accumulaient, les scientifiques ont introduit une nouvelle technique d'évaluation des planètes potentielles, appelée validation. Avec des observations plus facilement acquises, les astronomes exécutent un modèle statistique évaluant la probabilité d'explications non planétaires pour les données qu'ils ont acquises en dessous d'un certain seuil, ce qui est suffisant pour les scientifiques axés sur l'étude des populations d'exoplanètes.

"Il y a eu cette révolution sur le terrain dans notre pensée, c'est-à-dire que nous n'avons pas à confirmer chacun d'eux, nous pouvons les valider", a déclaré Christiansen. "Donc, vous croyez que c'est une planète, statistiquement, mais en fait vous n'avez pas mesuré la masse. C'est un peu bon marché - j'utilise des citations aériennes - c'est un moyen bon marché de confirmer les planètes."

Mais même la validation des planètes est désormais un processus trop coûteux pour que les scientifiques des exoplanètes l'appliquent à chaque monde potentiel. Et la rareté des ressources de confirmation planétaire auxquelles les astronomes sont confrontés ne fera que devenir un problème plus grave, a déclaré Christiansen.

En avril 2018, la NASA a lancé son nouveau chercheur de planètes, le Transiting Exoplanet Survey Satellite, ou TESS. Les scientifiques s'attendent à confirmer environ 16 000 planètes repérées dans ses données, mais cela nécessite de détecter quelque part dans les environs de 100 000 à 300 000 planètes candidates et d'évaluer chacune d'entre elles.

"Maintenant, je dois examiner tous ces candidats et décider lesquels je veux même confirmer", a déclaré Christiansen, qui a déclaré qu'elle était enthousiasmée par la générosité des exoplanètes, malgré la stricte hiérarchisation qu'elle nécessite. "Je chasse des planètes depuis 2004 - 15 ans - et de nombreux scientifiques chassent depuis encore plus longtemps. Et c'est la première fois que je me suis vraiment assis et que je suis parti, 'Wow. Cela ne vaut pas la peine de faire une partie de ceci, juste en termes de temps.'"

Et l'embarras des richesses ne fera que continuer, a-t-elle déclaré. Le prochain chercheur d'exoplanètes de la NASA, le Télescope d'enquête infrarouge à grand champ (WFIRST), pourrait permettre aux scientifiques de découvrir 100 000 exoplanètes confirmées, ce qui signifie encore plus de centaines de milliers de candidats à évaluer.

« Je pense que trouver de nouvelles méthodes statistiques pour gérer cela sera encore plus important en tant qu'outil à l'avenir », a déclaré Christiansen. "Nous avons plus de planètes que nous n'avons de ressources, mais cela ne fera qu'empirer et bien pire, comme de façon exponentielle au cours de la prochaine décennie."


Téléphoner à la maison ?

"Nous devrions être prêts" pour les extraterrestres, déclare le professeur de sciences spatiales John Zarnecki, de l'Open University. Stephen Hawking dit que les extraterrestres existent presque certainement et l'astronome senior de Seti, Seth Shostak, a déclaré que la chasse à la vie extraterrestre devrait prendre en compte les "machines sensibles" extraterrestres, ignorant presque la possibilité qu'il n'y ait rien à rechercher.

Mais de nombreux scientifiques soutiennent que parce que les humains utilisent la technologie des vagues depuis un peu plus d'un siècle - par rapport à l'âge de la Terre de plus de quatre milliards d'années - même si quelqu'un est là-bas, la fenêtre d'opportunité pour avoir une technologie similaire est incroyablement petite.

En effet, l'onde radio telle que nous la connaissons pour nos besoins de communication, est déjà en train de passer d'une onde analogique à une impulsion numérique, un signal beaucoup plus complexe à détecter. Et de même, les vagues recherchées par les scientifiques ne sont peut-être pas les bonnes. Bien qu'une plus grande partie du spectre des ondes soit examinée, il s'agit toujours d'une petite fraction.

La théorie veut qu'aucune autre planète habitée n'utilisera probablement la même technologie en même temps, ou du moins à distance de prise de contact. Selon eux, les aspects pratiques réels de l'appel à domicile d'ET seraient fondamentalement impossibles.


Pourquoi les scientifiques n'ont-ils pas encore trouvé la « Terre 2.0 » ?

La « Terre 2.0 » idéale sera une planète de la taille de la Terre et de la masse terrestre à une distance Terre-Soleil similaire de . [+] une étoile qui ressemble beaucoup à la nôtre. Nous n'avons pas encore trouvé un tel monde.

NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pylé

Au cours des 30 dernières années, les astronomes sont passés de zéro planètes extrasolaires connues à des milliers.

La méthode de la vitesse radiale (ou de l'oscillation stellaire) pour trouver des exoplanètes repose sur la mesure du mouvement. [+] de l'étoile mère, causée par l'influence gravitationnelle de ses planètes en orbite.

Des changements périodiques dans le mouvement d'une étoile ou des baisses de luminosité régulières les trahissent.

Lorsqu'une planète correctement alignée passe devant une étoile par rapport à notre ligne de mire, l'ensemble . [+] baisse de luminosité. Lorsque nous voyons le même creux plusieurs fois avec une période régulière, nous pouvons en déduire l'existence d'une planète potentielle.

William Borucki, chercheur principal de la mission Kepler, NASA / 2010

Grâce à ces techniques, nous avons révélé les masses et les rayons de mondes proches et à des milliers d'années-lumière.

Alors que Kepler a trouvé des planètes de la taille de la Terre, la grande majorité de celles découvertes sont plus grandes. [+] que la Terre, et ont des périodes orbitales très courtes, ce sont les mondes les plus faciles à détecter.

NASA Ames / Université W. Stenzel Princeton / T. Morton

Plus de 200 sont de la taille de la Terre, dont beaucoup résident dans la zone dite habitable autour de leurs étoiles.

La zone habitable est la plage de distances d'une étoile où de l'eau liquide pourrait s'accumuler sur le . [+] surface d'une planète en orbite. Si une planète est trop proche de son étoile mère, elle sera trop chaude et l'eau se sera évaporée. Si une planète est trop éloignée d'une étoile, elle est trop froide et l'eau est gelée. Les étoiles sont disponibles dans une grande variété de tailles, de masses et de températures. Les étoiles plus petites, plus froides et de masse inférieure que le Soleil (naines M) ont leur zone habitable beaucoup plus proche de l'étoile que le Soleil (naine G). Les étoiles plus grosses, plus chaudes et plus massives que le Soleil (les naines A) ont leur zone habitable beaucoup plus éloignée de l'étoile.

NASA/Mission Kepler/Dana Berry

Kepler-186f est l'une des planètes les plus petites et de la taille de la Terre trouvées autour d'une étoile, avec une taille à peine . [+] 17% plus grand que la Terre. Mais il orbite autour d'une étoile naine rouge, ce qui signifie qu'il n'aura pas de conditions semblables à celles de la Terre. Cela est également vrai pour Kepler-438b, l'une des autres planètes les plus petites et les plus de la taille de la Terre (à peine 12% plus grande que la Terre).

NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pylé

Il y a trois raisons principales à cela.

La plupart des planètes que nous connaissons et dont la taille est comparable à celle de la Terre ont été trouvées autour d'une température plus froide. [+] étoiles plus petites que le Soleil. Cela a du sens avec les limites de nos instruments, ces systèmes ont des rapports de taille planète/étoile plus grands que notre Terre par rapport au Soleil.

1.) La plupart des petites planètes que nous connaissons se trouvent autour des étoiles naines rouges.

Nous avons classé de nombreux mondes en dehors de notre système solaire comme étant potentiellement habitables, en raison de . [+] leur distance à leur étoile, leur rayon et leurs températures. Mais bon nombre des mondes que nous avons trouvés sont trop grands pour être rocheux et se trouvent en orbite autour d'étoiles naines rouges, ce qui les rend assez différentes de la Terre.

NASA Ames / N. Batalha et W. Stenzel

Les naines rouges sont les plus courantes et offrent les plus grands rapports de taille et de masse planète-étoile, ce qui facilite la détection des planètes.

L'hypothèse selon laquelle des mondes un peu plus grands/plus massifs que la Terre seraient rocheux peut être . [+] erroné, et peut nous amener à éliminer une grande partie de ce qui était auparavant classé comme des mondes potentiellement habitables.

2.) Les planètes plus grandes sont plus faciles à trouver, la plupart sont trop grandes pour être rocheuses sans enveloppe de gaz géante.

Illustration du télescope spatial de recherche de planètes, Kepler, de la NASA. Kepler a trouvé des milliers de fichiers . [+] planètes autour des étoiles de la Voie lactée, nous enseignant la masse, le rayon et la distribution des mondes au-delà de notre système solaire. Mais sa mission principale n'a duré que trois ans, ce qui signifie que les planètes avec de longues périodes (de l'ordre des années) n'ont pas pu être détectées de manière robuste.

3.) Nous ne les avons pas observés assez longtemps pour détecter des planètes avec

Aujourd'hui, nous connaissons plus de 3 500 exoplanètes confirmées, dont plus de 2 500 trouvées dans le Kepler. [+] données. Ces planètes varient en taille de plus grande que Jupiter à plus petite que la Terre. Pourtant, en raison des limitations de la taille de Kepler et de la durée de la mission, aucune planète de la taille de la Terre n'a été trouvée autour d'étoiles semblables au Soleil qui tombent sur des orbites semblables à celles de la Terre.

NASA/Ames Research Center/Jessie Dotson et Wendy Stenzel manquant des mondes semblables à la Terre par E. Siegel

Si notre propre système solaire était à la distance de la plupart des étoiles, nous n'aurions pas découvert la Terre.

Il faudra des missions de plus longue durée avec une excellente puissance de collecte de lumière et une sensibilité pour révéler . [+] le premier monde semblable à la Terre autour d'une étoile semblable au Soleil. Il existe des plans dans les calendriers de la NASA et de l'ESA pour de telles missions.

C'est la prochaine génération de chercheurs de planètes, comme James Webb et PLATO, qui, espérons-le, livrera notre premier véritable monde semblable à la Terre.

Mostly Mute Monday raconte l'histoire scientifique d'un objet ou d'un phénomène astronomique en images, visuels et pas plus de 200 mots. Parlez moins souriez plus.


La taille compte dans la détection des atmosphères d'exoplanètes

Impressions d'artiste du système exoplanétaire. Crédit : Alexaldo

Une analyse de groupe de 30 exoplanètes en orbite autour d'étoiles lointaines suggère que la taille, et non la masse, est un facteur clé pour savoir si l'atmosphère d'une planète peut être détectée. La plus grande étude de population d'exoplanètes à ce jour a détecté avec succès des atmosphères autour de 16 « Jupiters chauds » et a constaté que de la vapeur d'eau était présente dans tous les cas.

Les travaux d'une équipe de chercheurs européens dirigée par l'UCL ont des implications importantes pour la comparaison et la classification de diverses exoplanètes. Les résultats seront présentés par Angelos Tsiaras au Congrès européen des sciences planétaires (EPSC) 2017 à Riga le mardi 19 septembre.

"Plus de 3 000 exoplanètes ont été découvertes mais, jusqu'à présent, nous avons étudié leurs atmosphères en grande partie au cas par cas. Ici, nous avons développé des outils pour évaluer l'importance des détections atmosphériques dans les catalogues d'exoplanètes, " a déclaré Angelos Tsiaras, l'auteur principal de l'étude. "Ce type d'étude cohérente est essentiel pour comprendre la population mondiale et les classifications potentielles de ces mondes étrangers."

Les chercheurs ont utilisé les données d'archives de la caméra à champ large 3 (WFC3) du télescope spatial Hubble de l'ESA/NASA pour récupérer les profils spectraux de 30 exoplanètes et les analyser pour les empreintes digitales caractéristiques des gaz qui pourraient être présents. Environ la moitié avaient des atmosphères fortement détectables.

Les résultats suggèrent que si les atmosphères sont plus susceptibles d'être détectées autour de planètes de grand rayon, la masse de la planète ne semble pas être un facteur important. Cela indique que l'attraction gravitationnelle d'une planète n'a qu'un effet mineur sur son évolution atmosphérique.

Impressions d'artiste du système exoplanétaire. Crédit : Alexaldo

La plupart des atmosphères détectées montrent des signes de nuages. Cependant, les deux planètes les plus chaudes, où les températures dépassent 1 700 degrés Celsius, semblent avoir un ciel dégagé, du moins à haute altitude. Les résultats pour ces deux planètes indiquent que l'oxyde de titane et l'oxyde de vanadium sont présents en plus des caractéristiques de vapeur d'eau trouvées dans les 16 atmosphères analysées avec succès.

"Pour comprendre les planètes et la formation des planètes, nous devons examiner de nombreuses planètes : à l'UCL, nous mettons en œuvre des outils et des modèles statistiques pour gérer l'analyse et l'interprétation d'un grand échantillon d'atmosphères planétaires. 30 planètes n'est qu'un début", a déclaré Ingo Waldmann, un co-auteur de l'étude.

Impressions d'artiste du système exoplanétaire. Crédit : Alexaldo

« 30 atmosphères d'exoplanètes sont un grand pas en avant par rapport à la poignée de planètes observées il y a des années, mais pas encore de mégadonnées. Nous travaillons au lancement de missions spatiales dédiées au cours de la prochaine décennie pour porter ce nombre à des centaines, voire des milliers. » a commenté Giovanna Tinetti, également UCL.

Impressions d'artiste du système exoplanétaire. Crédit : Alexaldo

La mission Pandora étendrait les capacités de la NASA à sonder les mondes extraterrestres

Une exoplanète sur le point de traverser - ou de transiter - son étoile. Crédit : Goddard Space Flight Center de la NASA

Dans la quête de planètes habitables au-delà de la nôtre, la NASA étudie un concept de mission appelé Pandora, qui pourrait éventuellement aider à décoder les mystères atmosphériques des mondes lointains de notre galaxie. L'une des quatre missions d'astrophysique à faible coût sélectionnées pour le développement ultérieur du concept dans le cadre du nouveau programme Pioneers de la NASA, Pandora étudierait environ 20 étoiles et exoplanètes - des planètes en dehors de notre système solaire - pour fournir des mesures précises des atmosphères exoplanétaires.

Cette mission chercherait à déterminer les compositions atmosphériques en observant les planètes et leurs étoiles hôtes simultanément en lumière visible et infrarouge sur de longues périodes. Plus particulièrement, Pandora examinerait comment les variations de la lumière d'une étoile hôte influent sur les mesures d'exoplanètes. Cela reste un problème important pour identifier la composition atmosphérique des planètes en orbite autour d'étoiles couvertes de taches stellaires, ce qui peut provoquer des variations de luminosité lors de la rotation d'une étoile.

Pandora est une petite mission satellite connue sous le nom de SmallSat, l'une des trois missions orbitales de ce type recevant le feu vert de la NASA pour passer à la prochaine phase de développement du programme Pioneers. Les SmallSats sont des missions de vol spatial à faible coût qui permettent à l'agence de faire progresser l'exploration scientifique et d'augmenter l'accès à l'espace. Pandora fonctionnerait en orbite terrestre basse héliosynchrone, ce qui maintient toujours le Soleil directement derrière le satellite. Cette orbite minimise les changements de lumière sur le satellite et permet à Pandora d'obtenir des données sur de longues périodes. Parmi les concepts SmallSat sélectionnés pour une étude plus approfondie, Pandora est le seul axé sur les exoplanètes.

"La science exoplanétaire passe d'une ère de découverte de planètes à une ère de caractérisation atmosphérique", a déclaré Elisa Quintana, astrophysicienne au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, et chercheuse principale de Pandora. "Pandora s'efforce de comprendre comment l'activité stellaire affecte nos mesures d'atmosphères d'exoplanètes, ce qui jettera les bases de futures missions d'exoplanètes visant à trouver des planètes avec des atmosphères semblables à la Terre."

Maximiser le potentiel scientifique

Pandora se concentre sur l'étude des atmosphères exoplanétaires et stellaires en étudiant les planètes lorsqu'elles se croisent devant - ou transitent - leurs étoiles hôtes. Pour ce faire, Pandora tirerait parti d'une technique éprouvée appelée spectroscopie de transit, qui consiste à mesurer la quantité de lumière stellaire filtrant à travers l'atmosphère d'une planète et à la diviser en bandes de couleur appelées spectre. Ces couleurs codent des informations qui aident les scientifiques à identifier les gaz présents dans l'atmosphère de la planète et peuvent aider à déterminer si une planète est rocheuse avec une atmosphère mince comme la Terre ou si elle a une enveloppe de gaz épaisse comme Neptune.

Cette illustration (pas à l'échelle) représente le modèle orbital de Pandore en orbite terrestre basse héliosynchrone, située à environ 435 à 497 miles (700 à 800 kilomètres) au-dessus de la surface de la Terre, alors qu'elle observe ses exoplanètes et étoiles ciblées. Cette orbite permet à Pandora d'obtenir de multiples observations d'exoplanètes sur de longues périodes et la zone d'exclusion Earthshine permet d'éviter la lumière réfléchie par la Terre. Crédit : Lawrence Livermore National Laboratory et Goddard Space Flight Center de la NASA

Cette mission, cependant, pousserait la spectroscopie de transit un peu plus loin. Pandora est conçu pour atténuer l'un des revers les plus cruciaux de la technique : la contamination stellaire. "Les étoiles ont des atmosphères et des caractéristiques de surface changeantes comme des taches qui affectent nos mesures", a déclaré Jessie Christiansen, responsable scientifique adjointe aux archives des exoplanètes de la NASA à Caltech à Pasadena, en Californie, et co-investigatrice pour Pandora. "Pour être sûr que nous observons vraiment l'atmosphère d'une exoplanète, nous devons démêler les variations de la planète de celles de l'étoile."

Pandora séparerait les signaux stellaires et exoplanétaires en les observant simultanément en lumière infrarouge et visible. La contamination stellaire est plus facile à détecter aux longueurs d'onde les plus courtes de la lumière visible, et donc l'obtention de données atmosphériques à la fois par la lumière infrarouge et visible permettrait aux scientifiques de mieux différencier les observations provenant des atmosphères et des étoiles des exoplanètes.

"La contamination stellaire est un point d'achoppement qui complique les observations précises des exoplanètes", a déclaré Benjamin Rackham, chercheur postdoctoral 51 Pegasi b au Massachusetts Institute of Technology de Cambridge et co-investigateur pour Pandora. "Pandora aiderait à construire les outils nécessaires pour démêler les signaux stellaires et planétaires, nous permettant de mieux étudier les propriétés des taches stellaires et des atmosphères exoplanétaires."

En joignant ses forces aux missions plus importantes de la NASA, Pandora fonctionnerait en même temps que le télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu plus tard cette année. Webb offrira la possibilité d'étudier les atmosphères d'exoplanètes aussi petites que la Terre avec une précision sans précédent, et Pandora cherchera à étendre les recherches et les découvertes du télescope en observant les étoiles hôtes de planètes précédemment identifiées sur de plus longues périodes.

Des missions telles que le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, le télescope spatial Hubble et les anciens vaisseaux spatiaux Kepler et Spitzer ont donné aux scientifiques des aperçus étonnants de ces mondes lointains et ont jeté des bases solides dans les connaissances exoplanétaires. Cependant, ces missions n'ont pas encore pleinement résolu le problème de la contamination stellaire, dont l'ampleur est incertaine dans les études précédentes sur les atmosphères exoplanétaires. Pandora cherche à combler ces lacunes critiques dans la compréhension de la NASA des atmosphères planétaires et à augmenter les capacités de recherche sur les exoplanètes.

"Pandora est la bonne mission au bon moment car des milliers d'exoplanètes ont déjà été découvertes, et nous sommes conscients que beaucoup se prêtent à la caractérisation atmosphérique qui orbitent de petites étoiles actives", a déclaré Jessie Dotson, astrophysicienne au centre de recherche Ames de la NASA à Silicon Valley en Californie et chercheur principal adjoint pour Pandora. "La prochaine frontière est de comprendre les atmosphères de ces planètes, et Pandora jouerait un rôle clé dans la découverte de l'impact de l'activité stellaire sur notre capacité à caractériser les atmosphères. Ce serait un excellent complément à la mission de Webb."

Cette illustration montre l'utilisation par Pandora de la spectroscopie de transit pour identifier de manière fiable la composition atmosphérique d'une exoplanète lorsqu'elle passe devant son étoile hôte. Crédit : Lawrence Livermore National Laboratory et Goddard Space Flight Center de la NASA

Une rampe de lancement pour l'exploration

Le Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), à Livermore, en Californie, co-dirige la mission Pandora avec le Goddard Space Flight Center de la NASA. LLNL gérera la mission et tirera parti des capacités développées pour d'autres agences gouvernementales, y compris une approche à faible coût de la conception et de la fabrication du télescope qui permet cette science révolutionnaire des exoplanètes à partir d'une plate-forme SmallSat.

Le programme Pioneers de la NASA, qui se compose de SmallSats, de charges utiles attachées à la Station spatiale internationale et d'expériences scientifiques sur ballons, encourage des expériences spatiales et suborbitales innovantes pour les chercheurs en début de carrière grâce à de petites missions matérielles à faible coût. Dans le cadre de ce nouveau programme, Pandora fonctionnerait sur un calendrier de cinq ans avec un plafond budgétaire de 20 millions de dollars.

Malgré des contraintes strictes, le programme Pioneers permet à Pandora de se concentrer sur une question de recherche ciblée tout en engageant une équipe diversifiée d'étudiants et de scientifiques en début de carrière de plus d'une douzaine d'universités et d'instituts de recherche. Cette plate-forme SmallSat crée un excellent plan pour les missions à petite échelle afin d'avoir un impact dans la communauté astrophysique.

"Les observations de longue durée de Pandora en lumière visible et infrarouge sont uniques et bien adaptées aux SmallSats", a déclaré Quintana. "Nous sommes ravis que Pandora joue un rôle crucial dans la quête de la NASA pour trouver d'autres mondes qui pourraient potentiellement être habitables."


Terra Nova

L'une des plus grandes questions de la recherche astronomique en ce moment est assez simple à poser mais extrêmement difficile à répondre : dans les profondeurs de l'espace, existe-t-il une planète semblable à la Terre quelque part en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil ?

La réponse est assez surprenante : presque certainement Oui. Nous n'avons pas encore trouvé de jumeau précis de la Terre, mais nous nous en sommes approchés de très près. En fait, il est probable qu'il y en ait des millions, peut-être des milliards, de planètes comme la nôtre dans la seule Voie Lactée. Mais en ce moment, en ce moment, nous n'en connaissons qu'un seul à coup sûr : le nôtre.

Alors, quand verrons-nous réellement ce point bleu-vert dans nos télescopes ?

La recherche de mondes extraterrestres en orbite autour d'autres étoiles - des exoplanètes - dure depuis longtemps. On pensait qu'un certain nombre d'entre eux avaient été vus, mais ils étaient à la fine pointe de ce que la technologie pouvait faire et se sont avérés plus tard être des faux positifs.

Les choses ont changé en 1992. En utilisant des techniques de chronométrage sophistiquées, les scientifiques ont trouvé les toutes premières planètes confirmées, qui étaient en orbite autour d'un pulsar, le noyau ultradense d'une supernova explosée. Cela s'avère ne pas être l'endroit le plus hospitalier de l'Univers, avec le pulsar crachant suffisamment de rayons X pour faire frire complètement l'espace environnant. Les planètes qu'ils sont, ils sont comme la Terre ne pas.

Mais en 1995, la grande annonce est arrivée : une planète avait été découverte en orbite autour de l'étoile 51 Pegasi. L'étoile est similaire au Soleil, mais la planète a été un choc : elle avait 0,4 fois la masse de Jupiter (150 fois la masse de la Terre), mais elle tournait autour de l'étoile à seulement 8 millions de kilomètres (5 millions de miles) de l'étoile ! Il a crié autour de l'étoile en seulement 4,2 jours, une orbite beaucoup plus petite et plus courte que ce que l'on pensait possible.

La méthode utilisée pour trouver cette planète s'appelle la technique Doppler. Lorsqu'une planète est en orbite autour d'une étoile, sa gravité tire sur l'étoile. La planète fait un grand cercle tandis que l'étoile en fait un plus petit. Au fur et à mesure que l'étoile s'approche de nous dans ce cycle, sa lumière se compresse un peu, la déplaçant vers des longueurs d'onde plus courtes. Quand il s'éloigne de nous, c'est le contraire qui se produit. Il s'agit essentiellement de la même physique qui fait qu'une moto émet ce son "EEEEeeeeeooooooooowwwwwww" lorsqu'elle passe devant vous, ce que les scientifiques appellent l'effet Doppler.

Les astronomes avaient examiné très attentivement de nombreuses étoiles pour l'effet Doppler, mais ils avaient examiné des échelles de temps en mois, pas en jours. Once the planet 51 Peg b (as it’s called a planet is given its star’s name followed by a lower case letter starting at b, then c for the second one discovered, and so on) was found, astronomers looked back at their data and quickly found many more.

This method tends to find huge planets orbiting their stars close in—the effect is larger for that type of world—and so they are not Earth-like at all. These “hot Jupiters” are fascinating in their own right, but they would never be mistaken for home.

Many more of these planets have been found this way, but the real revolution was to come just a few years later.

Kepler is an observatory launched into space in 2009. It was designed to stare at 150,000 stars simultaneously, carefully measuring their starlight. If a planet orbits the star, and we see that orbit edge-on, then the planet will cross the face of its star. The starlight will dim periodically, revealing the presence of the exoplanet.

A few planets had been found this way before, but Kepler opened the floodgates: It has found hundreds of confirmed exoplanets, and thousands more candidates are still awaiting confirmation.*

llustration by NASA/Spaceplace

This technique, called the transit method, makes it easier (though by no means actually easy) to find smaller planets. Kepler has found quite a few Earth-sized planets, and more excitingly, quite a few others orbiting their stars at the right distance.

But, hey, wait a sec. What does it mean to be at “the right distance”?

We don’t know what varied forms life can take out in the cosmos. But it’s not a bad idea to look here at home for hints. All life on Earth needs liquid water, so that’s a pretty good criterion to start with. That means a planet can’t be too close to its star or else all the water will boil away. And if it’s too far, the water will be frozen (though there can be exceptions—some icy moons in the outer solar system like Europa and Enceladus are heated by their parent planets enough that they have interior oceans).

But there’s a clement middle ground, what astronomers call the Goldilocks Zone (or more formally the Habitable Zone), where liquid water can exist on the exoplanet’s surface. The zone depends on many factors including how big and bright the star is, and it’s a good place to start.

So the next question is, have we found the right size planets nestled comfortably in the Goldilocks Zone?

Some astronomers went through the Kepler data looking just at stars like the Sun (ranging from a bit cooler to a bit warmer), more than 42,000 stars in total. From that list, 600 or so had planets. The astronomers then looked for just those planets in the liquid water zone, where they would receive no less than a fourth and no more than four times the light the Earth does (a reasonable range). Finally, they culled the list to include exoplanets that were at least as big as Earth, but no more than twice its diameter. Bigger planets can have Earth-like gravity, but it gets tougher to support life the bigger the planet is, and a planet like that will probably have a hugely thick atmosphere, making it uninhabitable.


What has been your biggest professional challenge and how did you overcome it?

Overall, I've been incredibly fortunate. I've had wonderful mentors and excellent advisers throughout my career.

The one minor hiccup I faced was that my initial plan for my graduate thesis was derailed by the failure of Kepler's second reaction wheel, a device that helped orient the spacecraft. The Kepler mission was designed to measure the frequency of Earth-like planets orbiting Sun-like stars, so many of the M dwarfs in the Kepler field were not selected as target stars. I had worked with my thesis adviser, David Charbonneau, to submit a proposal to observe several thousand of those missed M dwarfs with Kepler, and we had just learned that the proposal had been approved when the primary mission ended. Fortunately, the story has a happy ending because the Kepler spacecraft went on to observe tens of thousands of M dwarfs during its K2 mission. I've been characterizing the planetary systems orbiting those M dwarfs for the last several years.


The Diversity of Planets

The Solar System contains four rocky planets, two large gaseous planets, and two other giant worlds, along with five dwarf planets and a wealth of moons, comets, asteroids, and icy worlds. The challenges of observing other star systems means we mostly know about planets orbiting close in to their host stars, with very little information so far about planets orbiting farther out — much less moons, asteroids, and so on. However, a combination of theory and observation is bringing us to a fuller picture of the possible planetary systems, what they contain, and how they were formed.

In the early years of exoplanet research, astronomers were happy just to discover any planet. Today, the focus is on classifying all the systems discovered so far, and hunting for smaller planets orbiting farther out from their host stars. In particular, researchers want to find Earth-sized planets in the habitable zones of their stars: the range of distances where liquid water could conceivably exist. Next-generation observatories such as NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) are designed for that purpose.

Many identified exoplanets are different from what we see in the Solar System. Planets more massive than Jupiter are common, but most exoplanets fall between Earth and Neptune in size or mass. These “super-Earths” are probably rocky, which raises questions about how they might differ from the inner planets of the Solar System and whether they could support life as we understand it.

Until the exoplanet revolution, our understanding of planet formation was based entirely on the Solar System. With the extra information from other planetary systems, researchers have a clearer picture of the complexities of how planets form and migrate in infant star systems. Researchers combine theoretical simulations with observations of newborn planetary systems to understand how the diverse worlds we see came into existence. That includes the distribution of atoms and molecules making planets, particularly those required for Earth-like life.

Of course, the best understood planetary system is our own Solar System. Comets and asteroids are remnants of the early years of the Solar System’s existence, providing us with a look at the environment before Earth formed. Astronomers have found similar chemical signatures on comets and in distant star systems, indicating some common processes.

Our best observations of atmospheres also come from planets in our Solar System, including the planet we know best: Earth. Understanding the differences between planets in our Solar System allows us to create models for exoplanet atmospheres. In addition, researchers are developing new methods to detect molecules in the atmospheres of distant worlds, particularly those like water or oxygen that are closely linked to life on Earth.