Demandez à Ethan: à quoi ressemblera notre première photographie directe d'une exoplanète terrestre?

Une photo de la terre prise par la caméra DSCOVR-EPIC, et elle est également dégradée à une résolution de 3x3 pixels - approximativement sous cette forme, les chercheurs du futur verront des exoplanètes

Au cours de la dernière décennie, principalement grâce à la mission Kepler , nos connaissances concernant les planètes d'autres systèmes stellaires se sont considérablement développées. De quelques mondes - pour la plupart massifs, avec des orbites internes rapides en orbite autour d'étoiles avec une petite masse - à des milliers de planètes de tailles complètement différentes. Nous savons maintenant que les mondes de la taille de la Terre et un peu plus grands sont extrêmement courants. Les observatoires de nouvelle génération, qui apparaîtront à la fois dans l'espace (par exemple, le télescope James Webb ) et au sol ( GMT et ELT ), pourront photographier directement le plus proche de ces mondes. À quoi ressembleront-ils? Voici ce que notre lecteur demande:

Quel type de résolution peut-on attendre de ces photos? Quelques pixels ou des détails visibles?

Les photographies elles-mêmes ne seront pas très impressionnantes. Cependant, d'eux, nous pouvons apprendre tout ce dont vous pouvez rêver (dans des limites raisonnables).


Proxima B en orbite autour de Proxima Centauri, tel que présenté par l'artiste. Avec l'aide de futurs télescopes de 30 mètres, nous pouvons le voir directement, mais pas aussi magnifiquement que sur la photo.

Pour commencer, traitons les mauvaises nouvelles. Le système stellaire le plus proche est Alpha Centauri , il est situé à seulement 4 années-lumière de nous. Il se compose de trois étoiles:

• Alpha Centauri A, une étoile de classe G, comme le Soleil;
• Alpha Centauri B, une étoile de classe K plus froide et moins massive, elle tourne autour d'Alpha Centauri A en orbite comparable aux orbites de nos géantes gazeuses;
• Proxima Centauri, une étoile de classe M beaucoup plus froide et moins massive qui a au moins une planète de la taille de la Terre.

Il peut y avoir beaucoup plus de planètes autour de ce système d'étoiles triples, mais elles seront petites et la distance entre elles et les étoiles sera énorme.


Nouveau système optique à 5 miroirs ELT. Avant d'entrer dans les instruments scientifiques, la lumière est réfléchie par un miroir principal segmenté concave de 39 mètres (M1), puis elle est réfléchie par deux miroirs ultérieurs de 4 mètres, convexe M2 et concave M3. Les deux derniers miroirs, M4 et M5, forment un système optique adaptatif, qui permet d'obtenir des images extrêmement nettes sur le dernier plan focal. La puissance lumineuse et la résolution angulaire de 0,005 "de ce télescope seront meilleures que toutes les autres de l'histoire.

Le plus grand télescope de tous ceux en construction, ELT, aura 39 m de diamètre, ce qui signifie une résolution angulaire maximale de 0,005 seconde d'arc; 60 secondes d'arc correspondent à 1 minute d'arc et 60 minutes d'arc correspondent à 1 degré. Si vous placez une planète de la taille de la Terre à côté de Proxima Centauri, l'étoile la plus proche de notre Soleil, située à 4,24 années-lumière, son diamètre angulaire sera de 67 microsecondes angulaires (μas), ce qui signifie que même avec notre meilleur télescope en construction, la résolution sera 74 fois pire que nécessaire pour voir une planète de la taille de la Terre.

Tout ce que nous pouvons espérer, c'est le seul pixel saturé dont la lumière pénètre dans les pixels voisins qui l'entourent, et c'est sur les caméras les plus avancées avec une résolution maximale. Visuellement, ce sera une déception sérieuse pour tous ceux qui espéraient avoir une belle vue comme celle présente dans les illustrations de la NASA.


L'exoplanète Kepler-186f, dont les propriétés sont peut-être similaires à la Terre, selon l'artiste. Cependant, de telles illustrations sont spéculatives et les données futures ne nous donneront pas d'espèces similaires à celle-ci.

Cependant, la mauvaise nouvelle se termine ici. À l'aide d'un coronographe , nous pouvons bloquer la lumière de l'étoile parente et observer la lumière directement de la planète elle-même. Bien sûr, nous obtenons la lumière par pixel, mais ce ne sera pas un pixel fixe et immuable. Nous pouvons suivre la lumière de trois manières différentes:

1. En différentes couleurs, photométriquement, d'où nous apprenons les propriétés optiques générales de toute image de la planète.
2. Spectroscopiquement, ce qui nous permettra de briser la lumière en différentes longueurs d'onde et de rechercher des signes de la présence de certaines molécules et atomes à la surface et dans l'atmosphère.
3. En mesurant les changements des deux points précédents avec la rotation de la planète autour de l'axe et en orbite, nous obtenons des caractéristiques temporaires.

À partir d'un seul pixel lumineux, nous pouvons déterminer un grand nombre de propriétés de n'importe quel monde étudié. Et voici certains d'entre eux.


Exoplanète avec lune tournant autour d'elle

En mesurant la réflexion de la planète lumière au cours de son mouvement orbital, nous obtenons des informations sur de nombreux phénomènes, dont certains que nous observons sur Terre. Si différents hémisphères du monde ont un albédo (réflectivité) différent et que le monde tourne de quelque manière que ce soit, sauf lorsqu'il est connecté à une étoile dans un rapport 1: 1, nous pouvons voir un signal périodique qui apparaît lorsque la planète se tourne vers son étoile de l'autre côté.

Dans un monde avec des continents et des océans, le signal montera et descendra à différentes fréquences, correspondant aux parties qui réfléchiront la lumière directe vers nos télescopes.


Des centaines de planètes candidates ont déjà été découvertes dans les données collectées et publiées par le télescope spatial TESS, conçu pour ouvrir les exoplanètes par la méthode du transit. L'image montre les trois plus intéressants, et beaucoup d'autres apparaîtront derrière eux.

Et s'il y a des nuages ​​et des phénomènes atmosphériques sur la planète qui bloquent et réfléchissent la lumière? Ensuite, le temps changeant nous permettra d'extraire ce signal lorsque nous observons comment la couverture nuageuse change au fil du temps, en superposant son effet sur d'autres effets. Les nuages ​​auront également certaines caractéristiques moléculaires qui montreront s'ils sont composés d'acide sulfurique, de gouttelettes d'eau, de méthane ou d'autres matières volatiles.

Grâce aux capacités d'observation directe, nous pourrons mesurer directement les changements météorologiques sur une planète en dehors de notre système solaire.


Images composites de la "Blue Ball" de 2001-2002, créées par le spectroradiomètre MODIS.

La vie sera plus difficile à détecter, mais s'il y a une exoplanète sur laquelle il y a une vie semblable à la terre, nous verrons certains changements saisonniers spécifiques. La rotation de la Terre autour de son axe signifie qu'en hiver, lorsque notre hémisphère se détourne du Soleil, les calottes polaires augmentent, la réflectivité des continents recouverts de neige aux latitudes inférieures augmente et le monde devient moins vert.

En été, au contraire, notre hémisphère regarde le soleil. Les calottes polaires diminuent, les continents acquièrent une couleur verte qui domine la vie végétale de notre planète. Des changements saisonniers similaires affecteront la lumière de toute exoplanète que nous photographions, ce qui nous permettra de juger non seulement les changements saisonniers, mais aussi les changements en pourcentage de la distribution des couleurs et de la réflectivité.


Dans ce cliché Titan, le brouillard de méthane et l'atmosphère sont représentés en bleu translucide et les caractéristiques de la surface sont visibles. Pour créer l'image, des images dans les gammes ultraviolettes, optiques et infrarouges ont été utilisées.

Les caractéristiques planétaires et orbitales doivent également apparaître. Si nous n'observons pas le transit de la planète de notre point de vue, lorsque la planète passera exactement entre nous et son étoile, nous ne connaîtrons pas l'orientation de son orbite. Autrement dit, nous ne reconnaissons pas sa masse; nous ne connaîtrons que la combinaison de la masse et de l'angle d'inclinaison de l'orbite.

Mais si nous mesurons le changement de sa lumière au fil du temps, nous pouvons calculer à quoi devraient ressembler ses phases et comment elles changent. Nous pouvons utiliser ces informations pour déterminer sa masse et son inclinaison orbitale, ainsi que la présence ou l'absence de grosses lunes. Même à partir d'un seul pixel, en soustrayant les changements de lumière concernant la couleur, la couverture nuageuse, la rotation et les changements saisonniers, nous pouvons obtenir toutes ces informations.


Les phases de Vénus visibles depuis la terre sont similaires aux phases d'une exoplanète en orbite autour de son étoile. Si son côté «nuit» aura certaines propriétés de température, auxquelles le télescope James Webb est sensible, nous pouvons déterminer s'il a une atmosphère, ainsi que ses composants.

Enfin, l'observation directe et l'analyse spectroscopique devraient nous montrer les composants de l'atmosphère, quelles molécules et quels atomes y sont.

Ceci est important pour de nombreuses raisons. Oui, le grand espoir évident est de trouver une atmosphère riche en oxygène, peut-être même avec une molécule d'azote inerte mais répandue, qui donnera une atmosphère vraiment terrestre. Mais on peut aller plus loin en cherchant de l'eau. D'autres signes de vie potentielle peuvent être recherchés, tels que le méthane et le dioxyde de carbone. Une autre conséquence intéressante qui est sous-estimée aujourd'hui est la capacité d'examiner directement les super-terres. Lesquels ont des couvertures géantes d'hydrogène et d'hélium, et qui n'en ont pas?


La classification des planètes est une étoile rocheuse, semblable à Neptune, semblable à Jupiter. La frontière entre les planètes terrestre et neptune est floue.

Si nous voulons vraiment voir les détails d'une planète située en dehors de notre système solaire, nous aurons besoin d'un télescope des centaines de fois plus grand que le plus grand des planifiés: quelques kilomètres de diamètre. Et jusqu'à ce jour, nous pouvons attendre des informations sur de nombreuses choses importantes liées aux mondes proches de la terre dans notre galaxie. TESS trouve déjà de nouvelles planètes. James Webb est terminé et attend d'être lancé en 2021. Trois télescopes de 30 mètres sont en construction, et le premier (GMT) devrait démarrer en 2024, et le plus grand (ELT) - pour voir la première lumière en 2025. Dans dix ans, nous aurons direct (optique ou infrarouge) ) des données sur des dizaines de mondes, de la taille de la Terre ou un peu plus grands, situés en dehors de notre système solaire.

Un seul pixel peut sembler insignifiant, mais pensez à tout ce que nous pouvons apprendre - sur les saisons, la météo, les continents, les océans, les calottes polaires, voire la vie - et vous serez étonné.

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