La détection d’exoplanètes était une science de pointe il n’y a pas si longtemps. Mais maintenant, nous en avons trouvé plus de 5 000, et nous nous attendons à les trouver autour de presque toutes les étoiles. La prochaine étape consiste à caractériser plus complètement ces planètes dans l’espoir d’en trouver qui pourraient abriter la vie. Leur imagerie directe fera partie de cet effort.
Mais pour ce faire, les astronomes doivent bloquer la lumière des étoiles des planètes. C’est difficile dans les systèmes stellaires binaires.
Lorsque les astronomes ont besoin de bloquer la lumière des étoiles pour examiner une planète proche, ils utilisent un accessoire télescopique appelé coronographe. Le télescope spatial Hubble en possède un, tout comme de nombreux autres télescopes. Ils sont très efficaces.
L’efficacité du coronagraphe est bien établie dans les systèmes à une seule étoile. Mais qu’en est-il des étoiles binaires et des systèmes à étoiles multiples ? Les étoiles binaires sont courantes dans la Voie lactée et jusqu’à 85 % des étoiles de la Voie lactée peuvent se trouver dans des systèmes binaires. Et ils sont nombreux dans notre quartier aussi. Le vaisseau spatial Gaia de l’ESA a trouvé 1,3 million d’étoiles binaires à moins de 1 000 années-lumière de la Terre.
Nous n’avons pas besoin de chercher bien loin pour trouver un système multi-étoiles avec des exoplanètes. Notre voisin stellaire le plus proche, le système Alpha du Centaure, est un système à trois étoiles. Alpha Centauri A et B sont toutes deux des étoiles brillantes semblables au Soleil. La troisième étoile du système, Proxima Centauri, est une petite naine rouge à peine plus grande que Jupiter. Proxima Centauri est si sombre qu’Alpha Centauri ressemble plus à une étoile binaire. Alpha Centauri A et B sont également proches l’un de l’autre, tandis que Proxima Centauri est sur une orbite beaucoup plus large autour de la paire principale.
Le système Alpha Centauri est un exemple instructif du défi auquel sont confrontés les astronomes qui veulent imager des exoplanètes. Alpha Centauri A et B ne sont distants que d’environ 40 unités astronomiques. La lumière combinée de deux étoiles semblables au Soleil si proches l’une de l’autre peut facilement noyer leurs exoplanètes beaucoup plus sombres. Mais une nouvelle technologie est prometteuse. C’est ce qu’on appelle le contrôle du front d’onde multi-étoiles (MSWC).
Le défi de bloquer la lumière des étoiles binaires est la contamination croisée. Les coronographes actuels peuvent supprimer la lumière d’une seule étoile, mais ne peuvent pas gérer la contamination croisée d’une étoile distincte. L’élimination de la lumière contaminante est essentielle pour l’imagerie des exoplanètes. C’est là que MSWC entre en jeu.
Multi-Star Wavefront Control est au cœur d’une mission à venir. La NASA espère lancer son télescope spatial romain Nancy Grace (NGRST) en 2027. Il embarquera un coronographe de démonstration technologique appelé CGI (CoronaGraphic Instrument) basé sur MSWC. Les miroirs déformables (DM) sont une partie essentielle du système.
Les miroirs déformables ne sont pas une toute nouvelle technologie. Le futur télescope de trente mètres et le télescope européen extrêmement grand utilisent tous deux des miroirs déformables. Ils font partie de l’optique adaptative.
Le système DM fonctionne pour les étoiles simples ou pour les étoiles binaires qui se chevauchent. Mais quelque chose d’autre est nécessaire pour contrer la contamination croisée des étoiles binaires qui ne se chevauchent pas. C’est la deuxième partie du coronographe romain, et ça s’appelle ‘contrôle de front d’onde super-Nyquist.’
Le problème dans les systèmes binaires est que les DM ont un champ de vision limité (FoV). Un DM peut s’adapter à la lumière d’une seule étoile, mais un compagnon binaire est en dehors du FoV. Le système Nyquist contourne ce problème en utilisant du matériel et des logiciels pour étendre le FoV. Le système crée essentiellement une grille d’étoiles proxy pour l’étoile secondaire dans le binaire, et chaque proxy a une région DM corrigée. Cela crée des zones sombres en dehors du FoV du DM. La beauté du système est qu’il peut être adapté à n’importe quel télescope à miroirs déformables. (Une description plus détaillée de la façon dont cela fonctionne est ici.)
En règle générale, l’optique adaptative n’est pas nécessaire sur les télescopes spatiaux. Ils sont utilisés sur les télescopes au sol pour contrer l’effet de l’atmosphère sur les télescopes. Le télescope spatial romain Nancy Grace sera le premier télescope spatial à utiliser des miroirs déformables. Et si tout se passe bien, un système basé sur le système du NGRST fera partie de l’Observatoire des mondes habitables (HWO) de la NASA. Géomètre IR (LUVOIR).
Mais avant que cela ne se produise, l’instrument doit être soigneusement testé. Cela se passe au Ames Coronagraph Experiment Laboratory et sur l’instrument Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO) sur le télescope Subaru. L’équipe derrière MWSC le teste également au banc d’essai d’imagerie à contraste élevé (HCIT) du Jet Propulsion Laboratory de la NASA.
La communauté astronomique est consciente que notre recherche d’exoplanètes est entravée par la lumière des étoiles dans les systèmes d’étoiles binaires. Nous pourrions en manquer beaucoup.
Un article de 2021 a examiné la question et a conclu que non seulement nous ne parvenons pas à détecter les exoplanètes perdues dans l’éclat des étoiles binaires, mais nous pourrions également ne pas détecter ce que tout le monde espère trouver : des planètes semblables à la Terre dans des zones habitables.
L’article s’intitule “Observations de chatoiement des étoiles hôtes de l’exoplanète TESS : Comprendre la distribution de la période orbitale de l’étoile hôte de l’exoplanète binaire”. Il est publié dans The Astronomical Journal, et l’auteur principal est Steve Howell du centre de recherche Ames de la NASA.
Dans leur article, les auteurs soulignent qu’il existe un “taux de binarité établi de 46% dans les étoiles hôtes des exoplanètes”. L’équipe a utilisé les télescopes de l’observatoire Gemini pour étudier les étoiles hébergeant des planètes découvertes par TESS. Ils ont déterminé que nous pouvons facilement manquer la détection de planètes de la taille de la Terre dans des systèmes binaires. TESS s’appuie sur les planètes transitant devant leur étoile pour les détecter par la baisse de la lumière des étoiles. Mais l’éclat de l’autre étoile peut facilement masquer le creux.
Ils ont examiné des centaines de ces étoiles TESS et ont découvert que 73 d’entre elles sont vraiment des étoiles binaires, un détail que TESS a manqué. La Terre 2.0 ou quelque chose de proche est-elle cachée quelque part autour de ces étoiles ? Combien de planètes nous manque-t-il, noyées par la lumière de deux étoiles ?
“Imaginez simplement – lorsque vous sortez et regardez une étoile dans le ciel nocturne, vous pourriez regarder une planète comme la Terre, cachée dans l’éclat de l’étoile”, a déclaré Ruslan Belikov, chef de projet pour MSWC. “De plus, il y a de fortes chances que l’étoile que vous regardez soit un système multi-étoiles. Je ne peux tout simplement pas attendre que nous levions les voiles de lumière des étoiles pour découvrir les secrets qui se cachent sur les planètes à l’intérieur.
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