La planification de l'Observatoire du monde habitable de la NASA est en cours Début août, des scientifiques et des ingénieurs se sont réunis dans un petit auditorium de Caltech pour discuter de la construction du premier télescope spatial capable de détecter la vie sur des planètes similaires à la Terre. Le concept de mission proposé, appelé Habitable World Observatory (HWO), serait un puissant observatoire d'astrophysique faisant suite au télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA.
Cette technique est utilisée pour obscurcir la lumière des étoiles afin de révéler la présence de planètes en orbite autour de l’étoile.
Il aura 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 la découverte de la vie sur les exoplanètes puisse être un objectif lointain, le but de l'atelier Caltech était d'évaluer le niveau de technologie dont BGI aurait besoin pour rechercher la vie ailleurs.
"Nous devons développer autant que possible des technologies clés avant de concevoir une mission", a déclaré Dimitri Mawet, membre du groupe d'évaluation technologique (TAG) du HWO, professeur d'astronomie David Morrisroe et chercheur scientifique principal au Jet Propulsion Laboratory (JPL), géré par Caltech pour la NASA. Nous sommes dans la phase de maturité technologique. L’idée est de faire progresser les technologies qui permettront à un observatoire du monde habitable de fournir des résultats scientifiques révolutionnaires tout en minimisant le risque de dépassement de coûts. »
Vue d'artiste de l'exoplanète rocheuse Kepler-186f, l'une des candidates les plus prometteuses pour devenir une planète potentiellement habitable, mais dans quelle mesure serait-elle similaire ou différente à la Terre pour accueillir la vie ? Crédit image : NASA/Ames/SETI Institute/JPL-Caltech.
HWO sera lancé à la fin des années 1930 ou au début des années 2040 dans le cadre de l'enquête décennale 2020 sur l'astronomie et l'astrophysique de l'Académie nationale des sciences (Astro2020). Le temps d'observation de la mission sera partagé entre l'astrophysique générale et la recherche sur les exoplanètes.
"L'enquête du dixième anniversaire recommande cette mission comme une priorité absolue en raison des capacités de transformation qu'elle apportera à l'astrophysique tout en comprenant également l'ensemble du système solaire au-delà du nôtre", a déclaré Fiona Harrison, professeur de physique Harold A. Rosen de Caltech et titulaire de la chaire de leadership Kent et Joyce Cresa dans la division de physique, de mathématiques et d'astronomie et l'un des deux coprésidents du rapport du dixième anniversaire d'Astro2020.
Progrès et défis technologiques
La capacité des télescopes spatiaux à caractériser les atmosphères des exoplanètes et ainsi rechercher d’éventuels signes de vie dépend d’une technologie qui bloque l’éblouissement des étoiles lointaines. Il existe deux manières principales de bloquer la lumière des étoiles : l’une est un petit déflecteur à l’intérieur du télescope, appelé coronographe ; l'autre est un grand déflecteur à l'extérieur du télescope, appelé starshade. Dans l’espace, le bouclier stellaire se développe en une structure géante en forme de tournesol, comme illustré ci-dessous.
L'animation montre un prototype de bouclier stellaire, une structure géante conçue pour bloquer l'éblouissement d'une étoile afin que les futurs télescopes spatiaux puissent prendre des photos des planètes. Source : NASA
Dans les deux cas, la lumière de l’étoile est bloquée, laissant transparaître la faible lumière des étoiles réfléchie par les planètes voisines. Le processus est similaire à celui qui consiste à bloquer le soleil avec votre main lorsque vous photographiez un ami souriant. En capturant directement la lumière de la planète, les chercheurs peuvent utiliser d'autres instruments appelés spectromètres pour scruter ces lumières, à la recherche de signatures chimiques. S’il existe de la vie sur des planètes en orbite autour d’étoiles lointaines, l’inspiration et l’expiration collectives de cette vie pourraient être détectables sous la forme de biosignatures.
"Nous estimons qu'il y a jusqu'à des milliards de planètes de la taille de la Terre dans la seule zone habitable de notre galaxie", a déclaré Nick Siegler, technologue en chef du programme d'exploration des exoplanètes de la NASA au JPL. "La zone habitable est la zone autour d'une étoile où les températures sont adaptées à l'eau liquide." Régions de croissance. Nous souhaitons sonder l’atmosphère de ces exoplanètes, à la recherche d’oxygène, de méthane, de vapeur d’eau et d’autres produits chimiques pouvant indiquer la présence de vie. Au lieu de rechercher de petits hommes verts, nous voulons voir les signatures spectrales de ces produits chimiques clés, que nous appelons biosignatures. »
Selon Siegler, la NASA a décidé de se concentrer sur la voie du coronographe du concept HWO, qui s'appuie sur les investissements récents dans le télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, qui utilisera des coronographes avancés 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 au Symposium de Caltech intitulée "Starlight Suppression for a Habitable World Observatory". Source : Caltech
Innovation et perspectives d'avenir
Mavitt a développé le coronographe, un instrument utilisé au W.M. Observatoire Keck au sommet du Mauna Kea sur la grande île d'Hawaï. La dernière version du coronographe, connue sous le nom de coronographe à vortex, a été inventée par Mavitt et hébergée dans l'instrument d'imagerie et de caractérisation planétaire Keck (KPIC), qui permet aux chercheurs d'imager et d'étudier directement le rayonnement thermique d'exoplanètes géantes gazeuses jeunes et chaudes. Un coronographe annule la lumière de l'étoile, ce qui lui permet de prendre des photos de planètes un million de fois plus sombres que l'étoile. Cela permet aux chercheurs de décrire en détail les atmosphères, les orbites et les caractéristiques de rotation des jeunes exoplanètes géantes gazeuses, aidant ainsi à répondre aux questions sur la formation et l’évolution d’autres systèmes solaires.
Mais l’imagerie directe d’une planète Terre jumelle – la planète où la vie telle que nous la connaissons est la plus susceptible de prospérer – nécessiterait des améliorations massives de la technologie existante. Les planètes comme la Terre en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil dans la zone habitable sont facilement obscurcies par l'éblouissement de l'étoile. Par exemple, notre Soleil est 10 milliards de fois plus puissant que la Terre. Pour atteindre ce niveau de suppression de la lumière des étoiles dans un coronographe, les chercheurs ont dû pousser leur technologie à l’extrême. "À mesure que nous nous rapprochons des niveaux requis de suppression de la lumière des étoiles, le défi augmente de façon exponentielle", a déclaré Marvitt.
Grâce aux explications du Dr Nick Siegler, responsable technique du programme d'exploration des exoplanètes de la NASA, il a présenté en détail le principe de fonctionnement du coronographe et comment il peut aider à imager directement les exoplanètes. Source : NASA
Les participants à l'atelier Caltech ont discuté de la technologie du coronographe, qui consiste à contrôler les ondes lumineuses avec des lentilles déformables ultra-précises à l'intérieur de l'instrument (voir vidéo ci-dessus). Bien qu'un coronographe bloque la majeure partie de la lumière d'une étoile, la lumière parasite se fraie un chemin dans l'image finale, apparaissant sous forme de taches. En utilisant des milliers de tiges de poussée pour pousser et tirer sur la surface réfléchissante du miroir déformable, les chercheurs ont pu éliminer les taches de lumière résiduelle des étoiles.
Le prochain télescope spatial romain Nancy Grace sera le premier à utiliser ce type de coronographe, appelé type « actif » car ses miroirs se déforment activement. Après des tests supplémentaires 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. Le coronographe romain permettra aux astronomes de prendre des images d'exoplanètes un milliard de fois plus sombres que leurs étoiles. Cela inclut les géantes gazeuses matures et jeunes, ainsi que les disques de débris laissés par la formation des planètes.
Vanessa Bailey, experte technique du coronographe romain du JPL, a déclaré : « Le coronographe romain est la prochaine étape de la NASA dans la recherche de la vie en dehors du système solaire. L'écart de performance entre les télescopes actuels et les observatoires mondiaux habitables est trop grand pour être comblé d'un seul coup.
Viser à imager directement le jumeau de la Terre autour d'une étoile semblable au soleil signifie pousser encore plus loin la technologie derrière le coronographe de Roman. "Nous devons pouvoir déformer les miroirs jusqu'au niveau du picomètre", explique Marvitt. "Nous devons supprimer la lumière des étoiles environ 100 fois plus que le coronographe romain. Cet atelier nous aide à déterminer où se situent nos lacunes technologiques et où nous avons besoin de davantage de développement au cours de la prochaine décennie."
D'autres sujets abordés lors de l'atelier comprenaient les meilleurs types de miroirs primaires à utiliser avec les coronographes, les revêtements de miroirs, la gestion des dommages causés aux miroirs par les micrométéoroïdes, la technologie des 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 le bouclier stellaire et son état de préparation technique.
À la découverte des jumeaux de la Terre
Dans le même temps, à mesure que la technologie continue de progresser, d’autres scientifiques tournent également leur attention vers les étoiles, à la recherche de planètes semblables à la Terre que HWO peut imager. À ce jour, plus de 5 500 exoplanètes ont été découvertes, mais aucune d’entre elles n’est véritablement semblable à la Terre. Les outils de chasse aux planètes, comme la nouvelle Keck Planet Probe (KPF) de l'observatoire Keck dirigé par Caltech, sont déjà plus efficaces pour découvrir les planètes en recherchant l'attraction qu'elles exercent sur les étoiles lorsqu'elles tournent autour d'elles. Les planètes plus lourdes exercent une traction plus importante, tout comme les planètes plus proches de leur étoile. KPF est conçu pour trouver des planètes de la taille de la Terre dans les zones habitables de petites étoiles rouges, plus proches de leurs étoiles. Au cours des prochaines années, KPF continuera de s’améliorer et pourra peut-être détecter des jumeaux terrestres.
Au moment du lancement de HWO, à la fin des années 1930 ou au début des années 1940, 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 au symposium étaient impatients de discuter de ces défis avec leurs collègues venus de tout le pays à Pasadena. La directrice du JPL, Laurie Leshin (M.A. '89, Ph.D. '95) a prononcé un discours inspirant au début de la réunion. "C'est un défi passionnant et difficile. Mais c'est exactement ce que nous cherchons. Nous ne combattons pas ce problème seuls. Nous devons travailler ensemble", a-t-elle déclaré.