Cette illustration représente une exoplanète semblable à Jupiter appelée TOI-2180 b. Elle a été découverte dans les données du satellite Transiting Exoplanet Survey de la NASA. Crédit : NASA/JPL-Caltech/R. Hurt
Tom Jacobs, de Bellevue (Washington), adore les chasses au trésor. Depuis 2010, cet ancien officier de la marine américaine participe à des projets de bénévolat en ligne qui permettent à toute personne intéressée – les “scientifiques citoyens” – de fouiller dans les archives de la NASA. NASA les données des télescopes à la recherche de signes d’exoplanètes, des planètes situées au-delà de notre système solaire.
Aujourd’hui, Jacobs a contribué à la découverte d’une planète gazeuse géante située à environ 379 années-lumière de la Terre, en orbite autour d’une étoile ayant la même masse que le Soleil. Le site Jupiter-est spéciale pour les astronomes car son année de 261 jours est longue par rapport aux nombreuses géantes gazeuses connues en dehors de notre système solaire. Le résultat suggère également que la planète est un peu plus éloignée de son étoile que Jupiter.Vénus est du Soleil. Cette découverte a été publiée dans la revue Astronomical Journal et présentée lors d’un événement de presse virtuel de l’American Astronomical Society le 13 janvier.
La découverte de cette planète et la détermination de sa taille et de sa masse ont nécessité une vaste collaboration entre des astronomes professionnels et des scientifiques citoyens comme Jacobs. Pour suivre la planète, ils se sont engagés dans “un effort d’unité globale, parce que nous devons tous nous y mettre ensemble pour garder un œil sur cette planète particulière”, a déclaré Paul Dalba, astronome à l’Université de Californie, Riverside, et auteur principal de l’étude.
“La découverte et la publication de TOI-2180 b a été un grand effort collectif démontrant que les astronomes professionnels et les scientifiques citoyens chevronnés peuvent travailler ensemble avec succès”, a déclaré Jacobs. “C’est la synergie à son meilleur”.
Comment la découverte a eu lieu
La signature de la planète nouvellement découverte a été cachée dans les données du Transiting Exoplanet Survey Satellite de la NASA ou de l’Agence spatiale européenne. TESS. Grâce aux données de TESS, les scientifiques recherchent les changements de luminosité des étoiles proches, qui pourraient indiquer la présence de planètes en orbite.
M. Jacobs fait partie d’un groupe de scientifiques citoyens qui examinent les graphiques des données TESS, montrant l’évolution de la luminosité d’une étoile au fil du temps, à la recherche de nouvelles planètes. Alors que les astronomes professionnels utilisent des algorithmes pour analyser automatiquement des dizaines de milliers de points de données provenant d’étoiles, ces scientifiques citoyens utilisent un programme appelé LcTools, créé par Alan R. Schmitt, pour inspecter les données des télescopes à l’œil nu. C’est pourquoi le groupe de Jacobs, qui comprend plusieurs scientifiques citoyens et deux astronomes chevronnés, s’appelle le Visual Survey Group. Beaucoup d’entre eux se sont rencontrés alors qu’ils travaillaient sur Planet Hunters, un projet de science citoyenne financé par la NASA par le biais de Zooniverse, qui portait sur les données du vaisseau spatial Kepler de la NASA.
Le 1er février 2020, M. Jacobs a remarqué par hasard un graphique montrant que la lumière de l’étoile TOI-2180 diminuait de moins d’un demi pour cent, puis revenait à son niveau de luminosité antérieur sur une période de 24 heures, ce qui peut s’expliquer par une planète en orbite qui ” transite ” lorsqu’elle passe devant l’étoile de notre point de vue. En mesurant la quantité de lumière qui diminue au passage de la planète, les scientifiques peuvent estimer la taille de la planète et, en combinaison avec d’autres mesures, sa densité. Mais un transit ne peut être observé que si une étoile et sa planète sont alignées avec les télescopes qui les recherchent.
Tom Jacobs, un scientifique citoyen qui collabore avec des scientifiques professionnels pour rechercher des exoplanètes, sur le site de l’observatoire de haute altitude Haleakalā à Hawaï. Crédit : Tom Jacobs
Un graphique montrant la lumière des étoiles au fil du temps est appelé “courbe de lumière”. Le Visual Survey Group a alerté deux collaborateurs scientifiques professionnels – Paul Dalba de l’Université de Californie, Riverside, et Diana Dragomir, professeur adjoint à l’Université du Nouveau-Mexique, que cette courbe de lumière était potentiellement intéressante.
“Avec cette nouvelle découverte, nous repoussons également les limites des types de planètes que nous pouvons extraire des observations de TESS”, a déclaré Dragomir. “TESS n’a pas été spécifiquement conçu pour trouver de telles exoplanètes à longue orbite, mais notre équipe, avec l’aide de scientifiques citoyens, déterre néanmoins ces joyaux rares.”
Les algorithmes informatiques utilisés par les astronomes professionnels sont conçus pour rechercher des planètes en identifiant de multiples événements de transit à partir d’une seule étoile. C’est pourquoi l’inspection visuelle des scientifiques citoyens est si utile lorsqu’un seul transit est disponible. Comme il s’agit du seul cas d’atténuation de l’étoile TOI-2180 b dans cet ensemble de données, on parle d’un “transit unique”.
“L’effort manuel qu’ils ont misC’est vraiment important et impressionnant, parce qu’il est difficile d’écrire un code capable de parcourir un million de courbes de lumière et d’identifier des événements de transit uniques de manière fiable”, a déclaré Dalba. “C’est un domaine où l’humain bat encore le code”.
Mais comment l’équipe pouvait-elle exclure d’autres explications pour la brève baisse de la lumière des étoiles ? Pouvaient-ils être sûrs d’avoir trouvé une planète ? Ils auraient besoin d’observations de suivi.
Heureusement, Dalba a pu recruter le télescope Automated Planet Finder de l’Observatoire Lick en Californie. “J’utilise ce télescope pour mesurer l’oscillation de l’étoile afin de déterminer la masse de cette planète, si c’en est une”, a-t-il déclaré. L’équipe de recherche a également utilisé le télescope Keck I de l’Observatoire W. M. Keck à Hawaï pour effectuer certaines de ces mesures lorsque l’Observatoire Lick était menacé par des incendies de forêt.
Avec 27 heures d’observations réparties sur plus de 500 jours, Dalba et ses collègues ont observé la traction gravitationnelle de la planète sur l’étoile, ce qui leur a permis de calculer la masse de la planète et d’estimer une gamme de possibilités pour son orbite. Ils voulaient néanmoins observer le transit de la planète lorsqu’elle reviendrait sur l’étoile pour confirmer son orbite. Malheureusement, il sera difficile de trouver un deuxième événement de transit en raison de la grande incertitude quant au moment où la planète traversera à nouveau la surface de son étoile.
Dalba a continué et a organisé une campagne d’observation comprenant à la fois des astronomes professionnels et des scientifiques citoyens utilisant des télescopes sur 14 sites sur trois continents en août 2020. Pour soutenir la campagne, Dalba a campé pendant cinq nuits dans le parc national Joshua Tree en Californie et a cherché le transit avec deux télescopes amateurs portables. Cet effort de collaboration a permis d’obtenir 55 ensembles de données en 11 jours.
En fin de compte, aucun de ces télescopes n’a détecté la planète avec certitude. Néanmoins, l’absence de détection claire au cours de cette période a permis de fixer une limite à la longueur de l’orbite, indiquant une période d’environ 261 jours. En utilisant cette estimation, ils prévoient que TESS verra la planète transiter à nouveau par son étoile en février 2022.
A propos de la planète
TOI-2180 b est presque trois fois plus massive que Jupiter mais a le même diamètre, ce qui signifie qu’elle est plus dense que Jupiter. Cela a amené les scientifiques à se demander si elle ne s’est pas formée d’une manière différente de Jupiter.
Un autre indice sur la formation de la planète pourrait être ce qui se trouve à l’intérieur. Grâce à des modèles informatiques, ils ont déterminé que la nouvelle planète pourrait contenir jusqu’à 105 masses terrestres d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium. “C’est beaucoup”, dit Dalba. “C’est plus que ce que nous soupçonnons être à l’intérieur de Jupiter”.
Les astronomes ont encore beaucoup à apprendre sur l’éventail de planètes qui existent. Environ 4 800 exoplanètes ont été confirmées, mais on pense qu’il y a des milliards de planètes dans notre galaxie. La nouvelle découverte indique que parmi les planètes géantes, certaines possèdent beaucoup plus d’éléments lourds que d’autres.
Dans notre système solaire, la gigantesque Jupiter tourne autour du Soleil tous les 12 ans. Saturneune “année” correspond à 29 ans. Nous n’avons pas de planètes géantes comme TOI-2180 b entre la Terre et le Soleil. Mais en dehors du système solaire, les astronomes ont trouvé des dizaines d’exoplanètes qui sont encore plus grosses que Jupiter et qui orbitent beaucoup plus près de leur étoile, plus près encore que l’orbite de Mercure.
Avec une température moyenne d’environ 170 degrés FahrenheitTOI-2180 b est plus chaude que la température ambiante sur Terre, et plus chaude que les planètes extérieures de notre système solaire, notamment Jupiter et Saturne. Mais comparée à l’ensemble des exoplanètes géantes en transit que les astronomes ont trouvé en orbite autour d’autres étoiles, TOI-2180 b est anormalement froide.
“C’est un bon tremplin entre la plupart des exoplanètes géantes que nous avons trouvées, et Jupiter et Saturne, qui sont vraiment froides”, a déclaré Dalba.
La suite
Lorsque TESS observera à nouveau l’étoile en février, Dalba et les scientifiques citoyens sont impatients d’obtenir les données et de se replonger dans l’étude. S’ils trouvent la signature de la planète, confirmant la période de 261 jours, cela donnerait plus de sens aux données de leur campagne mondiale pour la trouver en 2020.
Le télescope spatial James Webb de la NASA, qui a été lancé le 25 décembre, pourrait potentiellement observer cette planète et son atmosphère. Mais il y a une autre raison pour laquelle Dalba est enthousiasmé par les capacités du Webb. Étant donné que dans notre propre système solaire, Jupiter a des anneaux et des lunes, Webb pourrait être utilisé pour rechercher la présence de petits objets en orbite autour de TOI-2180 b.
Jusqu’à présent, aucun anneau ou lune n’a été découvert avec certitude en dehors de notre système solaire, mais l’une des raisons pourrait être que de nombreuses exoplanètes se trouvent très près de leur étoile, dont la gravité pourrait dépouiller de tels objets. TOI-2180 b, située àplus éloignée de son étoile hôte, pourrait présenter une opportunité intéressante pour une telle recherche. “Je pense que c’est un système amusant pour cela plus tard dans le futur”, a déclaré Dalba.
Lorsqu’il ne s’adonne pas à sa passion pour la chasse aux planètes, Jacobs, le scientifique citoyen, travaille avec des organisations à but non lucratif qui aident les personnes handicapées à trouver un emploi dans leur communauté.
Les membres du groupe d’étude visuelle “consacrent de nombreuses heures chaque jour à l’étude des données par pure joie et par intérêt pour l’avancement de la science”, a déclaré M. Jacobs. Collectivement, l’équipe a cosigné plus de 68 articles scientifiques évalués par des pairs, y compris la découverte d'”exocomètes” en transit, c’est-à-dire de comètes situées hors du système solaire et traversant la surface d’une étoile.
“Nous aimons contribuer à la science”, a déclaré M. Jacobs. “Et j’aime ce type d’arpentage, sachant que l’on se trouve dans un nouveau territoire non découvert et non vu par aucun humain auparavant”.
Référence : “L’enquête TESS-Keck. VIII. Confirmation d’une planète géante en transit sur une orbite excentrique de 261 jours à l’aide du télescope Automated Planet Finder ” par Paul A. Dalba, Stephen R. Kane, Diana Dragomir, Steven Villanueva Jr, Karen A. Collins, Thomas Lee Jacobs, Daryll M. LaCourse, Robert Gagliano, Martti H. Kristiansen, Mark Oméga. Kristiansen, Mark Omohundro, Hans M. Schwengeler, Ivan A. Terentev, Andrew Vanderburg, Benjamin Fulton, Howard Isaacson, Judah Van Zandt, Andrew W. Howard, Daniel P. Thorngren, Steve B. Howell, Natalie M. Batalha, Ashley Chontos, Ian J. M. Crossfield, Courtney D. Dressing, Daniel Huber, Erik A. Petigura, Paul Robertson, Arpita Roy, Lauren M. Weiss, Aida Behmard, Corey Beard, Casey L. Brinkman, Steven Giacalone, Michelle L. Hill, Jack Lubin, Andrew W. Mayo, Teo Mocnik, Joseph M. Akana Murphy, Alex S. Polanski, Malena Rice, Lee J. Rosenthal, Ryan A. Rubenzahl, Nicholas Scarsdale, Emma V. Turtelboom, Dakotah Tyler, Paul Benni, Pat Boyce, Thomas M. Esposito, E. Girardin, Didier Laloum, Pablo Lewin, Christopher R. Mann, Franck Marchis, Richard P. Schwarz, Gregor Srdoc, Jana Steuer, Thirupathi Sivarani, Athira Unni, Nora L. Eisner, Tara Fetherolf, Zhexing Li, Xinyu Yao, Joshua Pepper, George R. Ricker, Roland Vanderspek, David W. Latham, S. Seager, Joshua N. Winn, Jon M. Jenkins, Christopher J. Burke, Jason D. Eastman, Michael B. Lund, David R. Rodriguez, Pamela Rowden, Eric B. Ting et Jesus Noel Villaseñor, 13 janvier 2022, The Astronomical Journal.
DOI : 10.3847/1538-3881/ac415b.
En savoir plus sur la science citoyenne
La NASA propose une grande variété de collaborations scientifiques citoyennes sur des sujets allant des sciences de la Terre au Soleil en passant par l’univers au sens large. N’importe qui dans le monde peut participer. Consultez les dernières opportunités sur science.nasa.gov/citizenscience.
À propos de TESS
TESS est une mission d’exploration de l’astrophysique de la NASA dirigée et opérée par MIT à Cambridge, Massachusetts, et gérée par le Goddard Space Flight Center de la NASA. Parmi les autres partenaires, citons Northrop Grumman, basé à Falls Church, en Virginie, le centre de recherche Ames de la NASA dans la Silicon Valley californienne, le centre d’astrophysique de Harvard &, le Smithsonian à Cambridge, dans le Massachusetts, le Lincoln Laboratory du MIT et le Space Telescope Science Institute à Baltimore. Plus d’une douzaine d’universités, d’instituts de recherche et d’observatoires du monde entier participent à la mission.
Le National Science Foundation Astronomy and Astrophysics Postdoctoral Fellowship Program a contribué au soutien de cette étude.
