La poussière pourrait révéler la présence de planètes habitables

Le prochain grand télescope spatial de la NASA devrait être lancé au plus tard en 2027. Le télescope spatial romain Nancy Grace est un puissant télescope infrarouge à champ large qui créera des champs de vision panoramiques 100 fois plus grands que ceux de Hubble. Le télescope romain a une variété d’objectifs scientifiques, et l’une de ses tâches consiste à effectuer un recensement des exoplanètes pour répondre aux questions sur l’habitabilité.

Une nouvelle étude montre comment le télescope spatial romain peut mesurer la poussière dans les systèmes solaires distants pour aider à trouver des planètes habitables.

Notre système solaire contient un type de poussière appelée poussière zodiacale ou poussière interplanétaire. La poussière est principalement le résultat de collisions entre astéroïdes, objets de la ceinture de Kuiper, et également de l’activité cométaire. Ce n’est pas de la poussière primordiale des premiers jours du système solaire. La majeure partie de cette poussière primitive a disparu.

La poussière zodiacale de notre système solaire est contenue dans une région allant du Soleil à la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter. La poussière disperse la lumière du soleil et, vue de loin, est la deuxième chose la plus brillante du ciel après le Soleil. Mais la poussière crée un problème lors de l’étude des exoplanètes. Lorsqu’un système solaire éloigné a sa propre poussière interplanétaire, la brume peut obscurcir les planètes de ce système en lumière optique.

Bien que la poussière puisse être un problème, elle peut aussi être un signal précieux.

Les astronomes peuvent utiliser le télescope romain pour rechercher cette poussière dans des systèmes solaires éloignés. Si les astronomes trouvent de la poussière exozodiacale comme celle-ci autour d’une étoile, cela indique la présence de corps rocheux. Cela augmente la probabilité de planètes habitables. Si le Romain ne trouve pas cette poussière, c’est aussi une victoire : le système solaire est une bonne cible pour de futures observations avec des télescopes optiques car il n’y a pas de poussière sur le chemin.

Le nouvel article est intitulé “Sensibilité de l’instrument coronagraphe romain à la poussière exozodiacale”. L’auteur principal est Ewan Douglas, professeur adjoint d’astronomie à l’Université de Tucson. L’article est publié dans Publications of the Astronomical Society of the Pacific.

“Personne ne sait grand-chose sur la poussière exozodiacale car elle est si proche de son étoile hôte qu’elle est généralement perdue dans l’éblouissement, ce qui la rend notoirement difficile à observer.”

Co-auteur de l’étude Bertrand Mennesson, JPL.

“Si nous ne trouvons pas beaucoup de cette poussière autour d’une étoile particulière, cela signifie que les futures missions pourront voir des planètes potentielles relativement facilement”, a déclaré Douglas. “Mais si nous trouvons ce type de poussière, nous pouvons l’étudier et apprendre toutes sortes de choses intéressantes sur ses sources, comme les comètes et les astéroïdes dans ces systèmes et l’influence des planètes invisibles sur sa luminosité et sa distribution. C’est un gagnant-gagnant pour la science ! »

La quantité de poussière dans un système solaire indique la quantité et les types d’activité qui s’y déroulent. Par exemple, une grande partie de la poussière zodiacale provient des comètes lorsqu’elles traversent le système solaire interne. Si les astronomes trouvent un système avec beaucoup de poussière exozodiacale, cela suggère un niveau élevé d’activité cométaire.

Cette image montre la lumière zodiacale dans le ciel. Il est visible avant le lever du soleil ou après le coucher du soleil. Crédit : Yuri Beletsky / ESO Paranal

La répartition de la poussière est également un indice. Le modèle de distribution pourrait signaler que les planètes sculptent les débris avec leurs orbites.

Mais dans l’état actuel des choses, nous ne savons pas grand-chose de la poussière dans les autres systèmes. C’est difficile à voir.

“Personne ne sait grand-chose sur la poussière exozodiacale car elle est si proche de son étoile hôte qu’elle est généralement perdue dans l’éblouissement, ce qui la rend notoirement difficile à observer”, a déclaré Bertrand Mennesson, scientifique adjoint du projet de Roman au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud et un .co-auteur de l’article. “Nous ne savons pas ce que Roman trouvera dans ces autres systèmes planétaires, mais nous sommes ravis d’avoir enfin un observatoire équipé pour explorer cet aspect de leurs zones habitables.”

Le coronographe du télescope y joue un rôle essentiel. Un coronographe est comme des lunettes de soleil. Il bloque l’éblouissement aveuglant des étoiles dans les systèmes solaires lointains, permettant aux astronomes de voir des objets plus faibles. Sans coronographe, il serait impossible de voir la poussière dans d’autres systèmes. Le coronographe de Roman sera le coronographe le plus puissant jamais utilisé.

D’autres télescopes spatiaux, dont le Hubble, ont des coronographes. Mais celui de Hubble est relativement simple comparé à celui du télescope romain. Le coronographe du télescope romain utilise des filtres et des miroirs déformables pour soustraire la puissante lumière des étoiles des images, laissant derrière eux la lumière des planètes ou la poussière zodiacale.

“Le coronagraphe romain est équipé de capteurs spéciaux et de miroirs déformables qui mesureront et soustrairont activement la lumière des étoiles en temps réel”, a déclaré le co-auteur de l’article, John Debes. Debes est astronome au Space Telescope Science Institute de Baltimore. “Cela contribuera à fournir un niveau de contraste très élevé, cent fois supérieur aux offres du coronographe passif de Hubble, dont nous avons besoin pour repérer la poussière chaude qui orbite à proximité de l’étoile hôte.”

La poussière exozodiacale et tout ce que nous pouvons en apprendre est un nouvel horizon en astronomie. Les astronomes ont imaginé de la poussière froide à de grandes distances de leurs étoiles hôtes, une poussière plus éloignée de l’étoile que Neptune ne l’est du Soleil. Mais jusqu’à présent, personne n’a imaginé en détail la poussière plus chaude plus proche des étoiles.

Nous avons une compréhension préliminaire de la poussière chaude à partir d’observations avec l’interféromètre du grand télescope binoculaire. L’enquête Hunt for Observable Signatures of Terrestrial Systems (HOSTS) a été un tremplin vers une meilleure compréhension de la poussière exozodiacale. HOSTS a déterminé la luminosité et la densité de la poussière chaude flottant dans les zones habitables des étoiles proches, et ce fut un tremplin vers la compréhension de la poussière exozodiacale. Ses observations ont permis de déterminer la puissance nécessaire aux futurs télescopes pour pouvoir voir des exoplanètes lointaines malgré la présence de poussière.

Le télescope spatial romain a plus à offrir que son puissant coronographe. Il ne souffrira pas de certaines des limitations dont souffre Hubble. Le Hubble est en orbite terrestre basse, où il doit faire face à la présence de la Terre alors qu’il étudie des objets éloignés. Mais le Roman sera dans un endroit agréable et stable au LaGrange Point 2 (L2), à 1,6 million de kilomètres (1 million de miles) de la Terre.

Les astronomes sont impatients d’étudier la poussière exozodiacale plus chaude plus près des étoiles éloignées car il existe des différences critiques entre elle et la poussière plus visible et plus froide plus éloignée de l’étoile. La poussière proche de l’étoile est dominée par des grains rocheux, tandis que la poussière plus éloignée comprend des grains de glace. Différents processus forment les différents grains, donc un type n’est pas un analogue pour l’autre.

“En prospectant cette poussière, nous pourrions en apprendre davantage sur les processus qui façonnent les systèmes planétaires tout en fournissant des informations importantes pour les futures missions visant à imager les planètes de la zone habitable”, a déclaré le co-auteur Debes. « En découvrant la quantité de poussière exozodiacale sur le chemin des planètes possibles dans les systèmes voisins, nous pouvons dire quelle taille les futurs télescopes devront pouvoir voir à travers. Les observations du coronagraphe romain pourraient offrir un tremplin crucial dans la recherche d’analogues terrestres. »

La poussière exozodiacale inhibe également d’autres aspects de la science des exoplanètes. Une façon de déterminer l’habitabilité potentielle ou de détecter des biosignatures consiste à étudier les atmosphères d’exoplanètes. Mais la poussière peut gêner. “Étant donné que la lumière des étoiles la plus réfléchie et de nombreux biomarqueurs d’intérêt tombent aux longueurs d’onde visibles et NIR (proche infrarouge), la diffusion de la lumière visible par la poussière est la principale source de flux de fond qui limitera la caractérisation spectroscopique détaillée des atmosphères d’exoplanètes”, indique le document. .

Espérons que le télescope spatial romain ouvrira la voie à une autre mission appelée Habitable Exoplanet Observatory (HabEx). HabEx est encore en phase de conception et de conception, et s’il se concrétise, sa date de lancement proposée n’est pas avant 2035. La mission d’HabEx sera d’imager directement les systèmes planétaires autour d’étoiles semblables au Soleil. Il détectera tous les types de planètes, mais l’accent est mis sur les mondes semblables à la Terre. HabEx pourra imager directement certaines de ces planètes. Il analysera également leurs atmosphères par spectroscopie pour les signatures d’habitabilité ou les biosignatures.

La mission HabEx est unique dans son approche. Plutôt qu’un coronographe embarqué, il utilisera un starshade séparé. Le starshade serait à environ 77 000 km (48 000 miles) du télescope et bloquerait la lumière des étoiles lointaines et permettrait à la lumière des planètes d’atteindre les instruments du télescope.

Dans cette étude, les auteurs ont utilisé des simulations pour déterminer combien d’étoiles cibles présélectionnées pour la mission HabEx seraient observables par le télescope romain. Le coronographe avancé du télescope romain lui donne plus de puissance pour observer les planètes dans les zones habitables que ses prédécesseurs. L’idée est d’acquérir une connaissance préalable de la lumière de fond diffusée par la poussière exozodiacale à laquelle HabEx sera confrontée lorsqu’elle commencera ses observations.

Ce graphique de l'étude montre certains des résultats prévus du télescope romain.  Il est basé sur un échantillon de 149 étoiles cibles qui sont considérées comme des cibles optimales pour la mission HabEx.  Le graphique montre que 74 des 149 étoiles cibles de HabEx ont au moins une partie de leur HZ accessible aux observations de Roman.  16 d'entre eux sont observables jusqu'à leur EEID, ce qui signifie distance d'insolation équivalente à la Terre, la distance d'une étoile à laquelle une exoplanète recevrait la même quantité d'énergie solaire que la Terre.  IWA signifie Inner Working Angle et est une limite géométrique dans les coronographes.  L'IWA de Roman est une force de sa conception.  Crédit d'image : Douglas et al.  2022.
Ce graphique de l’étude montre certains des résultats prévus du télescope romain. Il est basé sur un échantillon de 149 étoiles cibles qui sont considérées comme des cibles optimales pour la mission HabEx. Le graphique montre que 74 des 149 étoiles cibles de HabEx ont au moins une partie de leur HZ accessible aux observations de Roman. Seize d’entre eux sont observables jusqu’à leur EEID, qui signifie distance d’insolation équivalente à la Terre, la distance d’une étoile à laquelle une exoplanète reçoit la même quantité d’énergie solaire que la Terre. IWA signifie Inner Working Angle et est une limite géométrique dans les coronographes. L’IWA de Roman est une force de sa conception. Crédit d’image : Douglas et al. 2022.

“Cette analyse a montré que le coronagraphe romain imposera de nouvelles limites à la luminosité de la lumière diffusée par la poussière exozodiacale dans la HZ des étoiles proches”, indique le document. “Un tel programme fournirait des informations précieuses sur le fond de lumière diffusée auquel seront confrontées les futures missions d’imagerie et de caractérisation spectrale des planètes semblables à la Terre.”

Les connaissances détaillées que le télescope romain fournira sur la lumière exozodiacale aideront à ouvrir la voie à la mission HabEx. “… La connaissance préalable des systèmes qui ont un excès de lumière exozodiacale permettra une meilleure optimisation des futures recherches d’imagerie directe pour les planètes semblables à la Terre.”

“Cela a le potentiel d’optimiser la stratégie d’observation des exoplanètes des futures missions en permettant un ciblage sélectif des systèmes moins poussiéreux…”, écrivent les auteurs.

Les mesures détaillées de la poussière exozodiacale ne seront qu’une des contributions du télescope romain à l’astronomie. Et le lien entre le Roman et HabEx n’est qu’un lien inter-missions. Le Roman étudiera également l’énergie noire et l’expansion de l’Univers, et à cet égard, il concordera avec la mission Euclid de l’ESA.

Nous vivons à une époque excellente pour l’astronomie. Le très attendu télescope spatial James Webb commencera bientôt ses observations, le Nancy Grace Roman sera lancé dans quelques années et le vénérable télescope spatial Hubble semble presque invincible. Des observatoires au sol comme l’observatoire Vera Rubin seront bientôt mis en ligne, avec des super télescopes comme l’E-ELT et le télescope Magellan qui le rejoindront.

S’il existe des planètes semblables à la Terre qui abritent la vie, nous sommes peut-être sur le point d’en trouver certaines.

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