La chasse aux planètes au-delà de notre système solaire a conduit à la découverte de milliers de candidats au cours des dernières décennies. La plupart d'entre elles sont des géantes gazeuses dont la taille varie de super-Jupiters à des planètes de la taille de Neptune. Cependant, plusieurs d'entre eux ont également été déterminés comme étant de nature «terrestre», ce qui signifie qu'ils sont rocheux et en orbite dans les zones habitables respectives de leurs étoiles.
Malheureusement, il est difficile de déterminer les conditions sur leurs surfaces, car les astronomes sont incapables d'étudier directement ces planètes. Heureusement, une équipe internationale dirigée par le physicien de l'UC Santa Barbara Benjamin Mazin a développé un nouvel instrument appelé DARKNESS. Cette caméra supraconductrice, la plus grande et la plus sophistiquée du monde, permettra aux astronomes de détecter des planètes autour des étoiles proches.
L’étude de l’équipe qui détaille leur instrument, intitulée «DARKNESS: Un spectrographe de champ intégral à détecteur d’inductance cinétique à micro-ondes pour une astronomie à contraste élevé», a récemment paru dans le Publications de la Société d'astronomie du Pacifique. L'équipe était dirigée par Benjamin Mazin, la chaire Worster en physique expérimentale de l'UCSB, et comprend également des membres du Jet Propulsion Laboratory de la NASA, du California Institute of Technology, du Fermi National Accelerator Laboratory et de plusieurs universités.
Essentiellement, il est extrêmement difficile pour les scientifiques d'étudier directement les exoplanètes en raison de l'interférence causée par leurs étoiles. Comme Mazin l'a expliqué dans un récent communiqué de presse de l'UCSB, "Prendre une photo d'une exoplanète est extrêmement difficile car l'étoile est beaucoup plus lumineuse que la planète et la planète est très proche de l'étoile." En tant que tels, les astronomes sont souvent incapables d'analyser la lumière réfléchie par l'atmosphère d'une planète pour déterminer sa composition.
Ces études aideraient à imposer des contraintes supplémentaires sur le fait qu'une planète est ou non potentiellement habitable. À l'heure actuelle, les scientifiques sont obligés de déterminer si une planète pourrait soutenir la vie en fonction de sa taille, de sa masse et de la distance de son étoile. De plus, des études ont été menées pour déterminer s’il existe ou non de l’eau à la surface d’une planète en fonction de la façon dont son atmosphère perd de l’hydrogène dans l’espace.
Le spectrophotomètre supraconducteur à résolution d'énergie proche infrarouge DARK-speckle (alias DARKNESS), le premier spectrographe à champ intégral de 10 000 pixels, cherche à corriger cela. Associé à un grand télescope et à une optique adaptative, il utilise des détecteurs d'inductance cinétique à micro-ondes pour mesurer rapidement la lumière provenant d'une étoile éloignée, puis renvoie un signal à un miroir en caoutchouc qui peut prendre une nouvelle forme 2000 fois par seconde.
Les MKID permettent aux astronomes de déterminer l'énergie et l'heure d'arrivée des photons individuels, ce qui est important pour distinguer une planète de la lumière diffusée ou réfractée. Ce processus élimine également le bruit de lecture et le courant d'obscurité - les principales sources d'erreur dans d'autres instruments - et nettoie la distorsion atmosphérique en supprimant la lumière des étoiles.
Mazin et ses collègues explorent la technologie MKID depuis des années par le biais du laboratoire Mazin, qui fait partie du département de physique de l'UCSB. Comme l'a expliqué Mazin:
«Cette technologie abaissera le plancher de contraste afin que nous puissions détecter des planètes plus faibles. Nous espérons approcher la limite de bruit des photons, ce qui nous donnera des rapports de contraste proches de 10-8, nous permettant de voir des planètes 100 millions de fois plus faibles que l'étoile. À ces niveaux de contraste, nous pouvons voir certaines planètes en lumière réfléchie, ce qui ouvre un tout nouveau domaine de planètes à explorer. Ce qui est vraiment excitant, c'est qu'il s'agit d'un pionnier technologique pour la prochaine génération de télescopes. »
DARKNESS est désormais opérationnel sur le télescope Hale de 200 pouces de l'Observatoire Palomar près de San Diego, en Californie, où il fait partie du système optique adaptatif extrême PALM-3000 et du double coronographe stellaire. Au cours de la dernière année et demie, l'équipe a effectué quatre essais avec la caméra DARKNESS pour tester son rapport de contraste et s'assurer qu'elle fonctionne correctement.
En mai, l'équipe reviendra pour recueillir plus de données sur les planètes voisines et démontrer leurs progrès. Si tout se passe bien, DARKNESS deviendra la première de nombreuses caméras conçues pour imager des planètes autour d'étoiles voisines de type M (naine rouge), où de nombreuses planètes rocheuses ont été découvertes ces dernières années. L'exemple le plus notable est Proxima b, qui orbite autour du système stellaire le plus proche du nôtre (Proxima Centauri, à environ 4,25 années-lumière).
"Nous espérons qu'un jour nous serons en mesure de construire un instrument pour le télescope de trente mètres prévu pour Mauna Kea sur l'île d'Hawaï ou de La Palma", a déclaré Mazin. "Avec cela, nous serons en mesure de prendre des photos de planètes dans les zones habitables des étoiles de faible masse à proximité et de chercher la vie dans leurs atmosphères. C’est l’objectif à long terme et c’est une étape importante vers cela. »
En plus de l'étude des planètes rocheuses voisines, cette technologie permettra également aux astronomes d'étudier les pulsars plus en détail et de déterminer le décalage vers le rouge de milliards de galaxies, permettant des mesures plus précises de la vitesse à laquelle l'Univers se développe. Cela, à son tour, permettra des études plus détaillées sur la façon dont notre univers a évolué au fil du temps et sur le rôle joué par l'énergie noire.
Ces technologies et d’autres, telles que le vaisseau spatial Starshade proposé par la NASA et l’occulteur mDot de Stanford, révolutionneront les études sur les exoplanètes dans les années à venir. Jumelé avec des télescopes de nouvelle génération - comme le Télescope spatial James Webb et le Satellite de sondage sur les exoplanètes en transit (TESS), qui a récemment été lancé - les astronomes pourront non seulement en découvrir plus sur la manière des exoplanètes, mais aussi les caractériser comme jamais auparavant.
