Pour voir un monde dans un faisceau de lumière

Sep 02, 2023

La première image en couleur du télescope Webb, rendue publique par le président Biden le 11 juillet 2022. L'image est centrée sur un amas de galaxies appelé SMACS 0723. Crédit image : NASA, ESA, CSA et STScI.

Par Joshua N. Winn 24 août 2023

Le 11 juillet 2022, le président américain Biden a révélé la première image officielle obtenue avec le télescope spatial James Webb. « Et aujourd’hui », a déclaré Biden en introduisant cet événement public, « nous allons avoir un aperçu de… la lumière d’autres mondes, en orbite autour d’étoiles bien au-delà du nôtre. » Il parlait du potentiel du télescope Webb pour étudier les exoplanètes, qui est l'un des sujets les plus brûlants en astrophysique et qui fait l'objet de mes recherches depuis près de 20 ans.

Puis, l’image a été dévoilée : un panorama de milliers de galaxies lointaines, à des milliards d’années-lumière, chacune contenant d’innombrables étoiles. Stupéfiant! Je savais que cela ravirait mes collègues en cosmologie, l'étude de l'univers entier plutôt que d'une galaxie, d'une étoile ou d'une planète en particulier. J'ai pris note de commander un gros tirage pour mon bureau.

C’était une formidable façon de démarrer l’événement presse, mais où étaient les exoplanètes ? J’attendais que Bill Nelson, le patron de la NASA, éblouit le président Biden avec des données exoplanétaires.

Mon anticipation grandit tandis que Nelson s'extasie sur le télescope : « Cela va être si précis, vous allez voir si les planètes, grâce à la composition chimique que nous pouvons déterminer avec ce télescope, de leur atmosphère, si ces planètes sont ou non. habitable." Ce à quoi le président a répondu : « C'est incroyable. Je me demande à quoi ressemble la presse dans ces autres endroits. Ensuite, le président est parti.

Quel dommage! La NASA a raté une occasion de montrer l'une des plus grandes superpuissances du télescope Webb : la capacité de sonder l'atmosphère de planètes situées à des années-lumière et peut-être même de détecter des molécules révélatrices de la vie.

Je comprends pourquoi Nelson est resté fidèle à l’image de la galaxie, même s’il parlait d’exoplanètes. Il est facile d'apprécier les images de belles galaxies et d'admirer la variété de couleurs et de formes tout en réfléchissant à leurs vastes tailles et à leurs distances lointaines. Mais nous ne pouvons pas faire d’images d’exoplanètes. Même avec nos télescopes les plus puissants, une étoile lointaine apparaît comme un point lumineux sans structure. La lumière beaucoup plus faible provenant de toutes les planètes en orbite est généralement perdue dans l’éblouissement de l’étoile.

Néanmoins, nous pouvons en apprendre beaucoup sur les exoplanètes. Par exemple, l'une des premières cibles du télescope Webb était la planète Bocaprins, qui orbite autour d'une étoile semblable au Soleil située à 700 années-lumière en direction de la constellation de la Vierge. Même si Bocaprins est impossible à voir sur aucune image, nous savons que son diamètre est d'environ 91 000 kilomètres, que son « année » (le temps nécessaire pour terminer une orbite complète autour de l'étoile) est de 4,06 jours terrestres et que son atmosphère contient du dioxyde de carbone, de l'eau. vapeur et dioxyde de soufre.

De quelle sorte de sorcellerie s’agit-il ? Comment le télescope Webb ou n’importe quel télescope peut-il révéler des détails aussi intimes sur une planète invisible ? Voici ce que j’aurais dit au président Biden :

L'astuce consiste à observer les éclipses. De notre point d'observation dans la galaxie, l'orbite de Bocaprins le transporte directement devant son étoile d'origine, bloquant une petite partie de la lumière de l'étoile. Lors d'une éclipse, la luminosité de l'étoile semble diminuer d'environ 2 %, ce qui nous permet de conclure que la planète couvre environ 2 % de la surface visible de l'étoile. De là, nous pouvons calculer le diamètre de la planète. Ces éclipses miniatures se reproduisent tous les 4,06 jours, révélant ainsi la durée de « l’année » de la planète.

Pour sonder l'atmosphère de la planète, nous jouons un autre tour : nous observons les éclipses avec un spectrographe, un appareil qui diffuse la lumière des étoiles dans un arc-en-ciel de couleurs. Lors d’une éclipse, certaines couleurs de l’arc-en-ciel apparaissent légèrement plus foncées que d’habitude. En effet, une petite partie de la lumière des étoiles filtre à travers l'atmosphère de la planète et chaque molécule de l'atmosphère possède un ensemble unique de « couleurs préférées » qu'elle absorbe plus que les autres. En observant quelles couleurs manquent dans l’arc-en-ciel, nous pouvons identifier les molécules responsables.