Comment voir les exoplanètes ?

Éteindre les étoiles pour détecter la vie

La recherche de planètes extrasolaires est un véritable enjeu pour l'humanité, la question sous jacente à laquelle les scientifiques essaient de répondre est " sommes-nous seul dans l'Univers ? ".
Déjà au 16è siècle, Giordano Bruno (1548-1600), dans les traces de Copernic, remet en cause de façon visionnaire, le cadre anthropocentrique (géocentrisme) de l'homme (voir nota).
Depuis la première découverte de planètes extrasolaires en 1995 (51 Pegasi b), un grand nombre de projets spatiaux tels que HARPS (2003), CoRoT (2006), KEPLER (2009), JWST (2018) jusqu'à DARWIN (2020) ont obtenu un financement.
Jusqu'en 2020, les méthodes utilisées pour trouver les exoplanètes, seront des méthodes indirectes (effet du transit, effet sur la vitesse radiale, effet de microlentilles...), c'est-à-dire que les exoplanètes sont détectées seulement par les effets qu'elles provoquent sur leur étoile. Mais à partir de 2020, avec DARWIN, l'humanité toute entière pourra voir directement une planète extrasolaire et peut-être une exoterre.
En 2011, la NASA a confirmé la découverte de la première planète extrasolaire (2.4 masses terrestres) située dans la "zone habitable" de son étoile, une région où l'eau liquide pourrait exister à la surface d'une planète.
Mais voir la lumière réfléchie d'une planète n'a pas d'intérêt particulier si ce n'est, la voir se déplacer sur son orbite, ce qui est beaucoup plus intéressant c'est d'analyser la composition de son atmosphère.
L'objectif principale du projet spatial DARWIN est d'analyser le spectre lumineux de l’atmosphère d'une planète de l'ordre de quelques masses terrestres. En d'autres termes, il sera possible de détecter la présence de composés chimiques comme le dioxyde de carbone (CO2), l'eau (H2O), l'ozone (O3), l'oxygène (O2) ou tout autre assemblage ionique, et pourquoi pas des composés organiques basés sur un squelette carboné. Le CO2 en grande quantité ainsi que l'eau serait la signature d'une activité photosynthétique.
L'oxygène présente une particularité spécifique, cet atome agressif ne peut pas rester dans une enveloppe gazeuse autour d'une planète car il se lie très facilement avec les roches et les métaux, pour faire des oxydes. S'il y a de l'oxygène en quantité autour d'une planète cela veut dire que des phénomènes biotiques existent. Ces phénomènes biotiques révèlent la présence de la VIE. Aucun mécanisme physique ou chimique n'explique l'abondance de l'oxygène en dehors de mécanismes biochimiques.

Si toute la biomasse de la Terre disparaissait, alors l'oxygène disparaitrait aussi en seulement quelques millions d'années.
Chaque atome, chaque ion, et même chaque molécule possède une signature spectrale caractéristique (une série de raies dans le spectre électromagnétique).
Les espèces chimiques sont principalement détectées dans la bande spectrale infrarouge (9.7 µm pour l'ozone, 8 µm pour l'eau, 7.6 µm pour le méthane). Cette signature permet de détecter la présence et la concentration d'un composé chimique dans le milieu traversé par le rayonnement, entre la source et la détection par l'instrument spectroscopique.
Mais pour voir l'atmosphère d'une planète il faudra "éteindre son étoile". La mission DARWIN a été conçue pour cela, éteindre les étoiles. Son instrument s'appelle un coronographe interférométrique, il permet de masquer la lumière de l’étoile grâce à un système optique ingénieux qui met en opposition de phase plusieurs rayons lumineux corrélés arrivant sur plusieurs télescopes. En d'autres termes, si 2 télescopes observent la même étoile, les 2 reçoivent la même onde électromagnétique, si on ramène le signal au foyer d'un instrument qui décale la deuxième onde d'une demi longueur d'onde, l'addition de deux sources lumineuses de l'étoile est égale à zéro. On a ainsi éteint la lumière de l'étoile.
Toute lumière qui ne sera pas parfaitement alignée avec les télescopes ne sera pas éteinte bien au contraire elle va s'additionner, c'est exactement ce que veulent les scientifiques de la mission, ils veulent voir la planète sans être éblouis par l'étoile proche. La lumière de la planète est déphasée par rapport à celle de l'étoile, c'est pourquoi elle n'est pas éteinte. L'utilisation de plusieurs télescopes combinés permet d'obtenir une haute résolution angulaire qui dépend de la distance entre les télescopes. La petite flottille de télescopes sera positionnée sur le point de Lagrange L2, dans l'ombre de la Terre, à l'abri des rayons solaires.

N. B. : « Les étoiles sont des soleils comme le nôtre et il y a une multitude de soleils librement suspendus dans un espace sans limite, entourés de planètes, comme la Terre, peuplées d'êtres vivants... Le soleil est seulement une étoile parmi d'autres, particulière parce que très proche de nous. Le soleil n'a pas de position centrale dans l'infini sans frontière. »
Giordano Bruno (1548-1600), philosophe, théologien et scientifique, accusé d'athéisme et d'hérésie par l'Inquisition, et exécuté le 17 février 1600 à Rome.

Image : Un transit (micro-éclipse périodique) se produit à chaque fois que la planète passe entre son étoile et l'observateur, à ce moment là, la planète occulte un peu de la lumière de l'étoile, produisant un assombrissement périodique détectable. Cette remarquable idée est utilisée pour détecter la planète et déterminer directement sa taille et son orbite. Le diamètre de Jupiter est 10 fois plus petit que celui du Soleil, Jupiter masque donc 1% de la luminosité du Soleil lorsqu'il passe devant pour un observateur lointain. La Terre elle, est 100 fois plus petite que le Soleil, elle ne masque donc que 1/10 000ème de sa luminosité soit 0.01% lorsqu'elle passe entre le Soleil et l'observateur. Mais ce que l'on voit est un signal de luminosité qui baisse et non la planète.
Avec DARWIN on verra la planète ou plutôt son atmosphère qui reflètera la lumière de son étoile éteinte par un coronographe interférométrique. Toute lumière qui sera parfaitement alignée avec les télescopes (celle de l'étoile) sera éteinte et ainsi la planète pourra être vue sans être ébloui par l'étoile proche.