L'analyse des données de Cheops permettra d'en savoir plus sur la structure et la composition d'une exoplanète. Par exemple en indiquant - de gauche à droite - si l'environnement est plutôt dense ou gazeux, ou s'il y a présence d'eau ou de glace.
Vingt-cinq ans après la découverte de la première planète extrasolaire, le télescope spatial Cheops, lancé mercredi 18 décembre, doit enfin permettre aux chercheurs de déterminer ce que ces exoplanètes ont dans le ventre.La mission Cheops (CHaracterising ExOPlanets Satellite – Satellite de caractérisation des exoplanètes) qui partira en décembre prochain à bord d’une fusée Vega depuis la base de Kourou (Guyane) marque une nouvelle étape dans la recherche sur les exoplanètes. Depuis l’orbite où il sera positionné à 700 kilomètres d’altitude, ce petit télescope spatial de l’Agence spatiale européenne (ESA) et du Bureau spatial de la Suisse mesurera, avec une précision inédite, la taille de ces astres. Son double objectif sera d’en apprendre un peu plus sur la composition rocheuse, gazeuse, voire même glacée ou océanique de ces corps célestes ; et déblayer ainsi le terrain pour les instruments qui les étudieront en détail dans les années à venir !
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Vue d'artiste de l'exoplanète 51 Pegasi b en orbite autour d'une étoile similaire au Soleil à environ 50 années-lumière de la Terre. Les deux astronomes Michel Mayor et Didier Queloz sont à l'origine de la découverte de cette première exoplanète en 1995. Ils ont reçu le prix Nobel de physique le 8 octobre 2019.
Cette mission a ceci de remarquable qu’elle coïncide, à quelques semaines près, avec l’attribution, le 8 octobre 2019, du prix Nobel de physique à deux astronomes de l’Observatoire de Genève, pour la découverte – par la méthode des vitesses radiales –, de la première exoplanète. En 1995, Michel Mayor et Didier Queloz, président du conseil scientifique de Cheops, analysent la lumière de l’étoile 51 Peg à l’aide du spectromètre Élodie de l’Observatoire de Haute-Provence. Ils mesurent des variations périodiques de vitesse indiquant la présence d’un énorme objet qui perturbe le mouvement de l’astre : une planète géante dont ils réussissent à calculer la masse (la moitié de celle de Jupiter) et la période orbitale (4,2 jours). Cette première détection marque les débuts d’une toute nouvelle discipline : l’exoplanétologie, dont la mission Cheops est le dernier avatar.
Après la détection, la caractérisationCheops a notamment pour objectif d’affiner les observations réalisées depuis un quart de siècle par les astronomes. En effet, depuis la détection de 1995, plus de 4 000 exoplanètes ont été découvertes, bouleversant ce qu’on imaginait sur la diversité de ces objets dans l’Univers et sur la manière dont se forment et s’organisent les systèmes solaires. Les chercheurs ne savent cependant presque rien sur la nature et les propriétés de ces planètes mises au jour par centaines, dont les masses s’échelonnent entre celle de la Terre et celle de Neptune.
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Vue d'artiste du satellite Cheops, avec en arrière-plan un système d'exoplanètes.
Ces « super-Terre » ou « mini-Neptune » – qui n’ont aucun équivalent dans notre système solaire –, sont-elles faites de fer, de roches silicatées ou de glace ? Possèdent-elles des atmosphères ? Et si oui, quelle est leur composition ? Sont-elles totalement recouvertes d’océans ? Les scientifiques disposent encore de trop peu d’indices pour répondre à ces questions. Pour espérer élucider leur composition, ils auraient besoin de connaître la densité moyenne de ces corps afin de la confronter aux modèles de structure interne de planètes.
Établir une liste de super-TerreMalheureusement, les catalogues établis jusqu’ici fournissent rarement cette information. En effet, la densité d’un astre n’est pas une grandeur directement mesurable. Elle doit être calculée en combinant des informations sur sa masse et sur son rayon qui sont récoltées indépendamment l’une de l’autre, et selon deux techniques différentes : la méthode des vitesses radiales, et la méthode des transits. Or, ces techniques ne peuvent généralement pas être appliquées aux mêmes astres. En effet, « les exoplanètes dont on a établi la masse par la technique des vitesses radiales orbitent toutes autour d’étoiles brillantes (généralement proches), alors que celles dont on a mesuré le rayon avec la méthode dite des transits sont généralement associées à des étoiles beaucoup moins brillantes (donc plutôt éloignées) », explique Willy Benz professeur à l’Université de Berne (Suisse) et responsable de la mission Cheops.
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Détection d'exoplanètes par la méthode des transits. Les exoplanètes en transit sont détectées lorsqu'elles passent devant leur étoile hôte, ce qui provoque une baisse de luminosité de l'étoile.
Tout comme CoRoT (Centre national d'études spatiales - ESA et partenaires), Kepler (Nasa), TESS (Nasa) et bientôt PLATO (ESA), ce satellite scrutera les étoiles afin de mesurer des baisses de luminosité provoquées par le transit ou passage périodique de planètes sur sa ligne de visée. Toutefois, à la différence de ces télescopes spatiaux, son objectif ne sera pas de détecter de nouvelles planètes. Mais plutôt d’en observer certaines déjà connues et proches pour en déterminer le rayon avec une précision de l’ordre de 10 %. Avec un espoir : constituer une liste d’une cinquantaine de « super-Terre », toutes parfaitement décrites en termes d’orbite, de masse, de diamètre et de densité. Et ainsi fournir aux spécialistes un échantillon d’une taille suffisante pour leur permettre d’avancer dans la compréhension de ces objets.
Mesurer la température, trouver des anneauxDurant les trois à cinq années que doit durer la mission, le télescope spatial surveillera aussi une série de systèmes solaires détectés par la méthode des vitesses radiales afin de déterminer s’ils comptent des planètes en transit. Une pareille configuration est rare, puisqu’elle implique que la planète croise notre ligne de visée de l’étoile. Mais, explique Xavier Bonfils, chargé de recherche CNRS à l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble et membre de l'équipe scientifique de Cheops : « lorsqu’elle intervient sur des étoiles proches et brillantes, elle fait de ces exoplanètes des cibles sur lesquelles on peut facilement mesurer les propriétés physiques et la composition atmosphérique ».
Les astronomes espèrent ainsi découvrir une demi-douzaine de systèmes à même d’être observés par les télescopes de la prochaine génération : qu’il s’agisse du James Webb (Nasa-ESA-ESC), dont la mise en service est prévue en 2021, ou du E-ELT (European Southern Observatory) attendu en 2025. Enfin, précise Magali Deleuil, professeur au Laboratoire d’astrophysique de Marseille : « Cheops cherchera à mesurer la température de la haute atmosphère des “Jupiter chauds” et à détecter la présence éventuelle de lunes et d’anneaux associés à des exoplanètes ».
Le télescope de prochaine génération James Webb est équipé d'un miroir en or à 18 segments, ici déployé dans une salle blanche du Goddard Space Flight Center de la Nasa à Greenbelt (Maryland, Etats-Unis). Une fois lancé dans l’espace, le miroir spécialement conçu pour capter la lumière infrarouge des premières galaxies qui se sont formées au début de l’Univers, aidera le télescope à scruter l’intérieur des nuages de poussière où se forment les étoiles et les systèmes planétaires.
Financée par l’ESA dans le cadre de son programme Cosmic Vision (2015-2025), Cheops a été développé, sous la responsabilité de la Suisse, par un consortium d’une dizaine de pays dont la France. Cette dernière n’est pas intervenue dans la conception du télescope d’un mètre ultra-sensible qui équipe le satellite de 250 kilogrammes. Mais elle a fourni, par le truchement de l’équipe de Magali Deleuil, le logiciel de traitement des données qui sera employé, à Genève, par le Centre des opérations scientifiques de cette mission dite de type « S » (Small). Elle participe aussi à la définition des cibles. Certaines, comme 55 Cancri, promettent déjà de faire couler beaucoup d’encre. Ce système fait de deux étoiles compte au moins cinq planètes dont l’une serait une « super-Terre » rocheuse. Reste à le vérifier. Ce que fera Cheops.
D'après les cahiers du CNRS
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