Le domaine de l’astronomie est sur le point d’être révolutionné, grâce à l’introduction des télescopes extrêmement grands qui reposent sur des miroirs primaires mesurant 30 mètres (ou plus) de diamètre, des optiques adaptatives (AO), des coronographes et des spectromètres avancés. Cela comprendra le télescope extrêmement grand (ELT) éponyme, le télescope géant de Magellan (GMT) et le télescope de trente mètres (TMT). Ces télescopes permettront aux astronomes d’étudier les exoplanètes en utilisant la méthode d’imagerie directe (DI), qui fournira des données précieuses sur la composition de leurs atmosphères.
Selon une nouvelle étude menée par une équipe de chercheurs de l’Ohio State University (OSU), ces télescopes permettront également aux astronomes d’étudier des “objets ultrafroids”, comme les étoiles de très faible masse (VLM), les naines brunes et les exoplanètes. En plus de pouvoir visualiser les taches stellaires magnétiques et de déterminer les compositions chimiques de ces objets, les ELT pourront révéler des détails sur la dynamique atmosphérique et les systèmes nuageux. Ces types d’études pourraient révéler une mine d’informations sur certains des objets les moins étudiés de notre univers et contribuer de manière significative à la recherche de la vie au-delà de notre système solaire.
L’étude a été réalisée par Michael K. Plummer et Ji Wang, un Ph.D. étudiant et professeur d’astronomie à l’OSU (respectivement), dans le cadre de la thèse de doctorat de Plummer. Plummer est également un officier et un pilote qui a déjà étudié à la United States Air Force Academy, tandis que Wang se spécialise dans la création d’instruments sensibles permettant des études plus détaillées sur les exoplanètes. L’article qui décrit leurs découvertes, intitulé “Mapping the Skies of Ultracool Worlds: Detecting Storms and Spots with Extremely Large Telescopes”, a récemment été accepté pour publication dans Le Journal d’Astrophysique.
L’étude des objets ultrafroids est un domaine en plein essor en astronomie, ce qui a été très difficile avec les télescopes optiques. Grâce aux progrès de l’infrarouge et de la radioastronomie, les astronomes ont beaucoup appris sur ces objets ces dernières années, ce qui leur a permis de mieux comprendre la portée et la nature des objets de notre Univers. Comme Plummer l’a dit à Universe Today par e-mail :
« Les naines ultrafroides, y compris les étoiles de plus faible masse et les naines brunes, ont des températures efficaces qui permettent aux condensats de se former dans leur atmosphère. Ces condensats peuvent comprendre des nuages de métal et de silicate. On pense qu’à la transition spectrale L/T autour de 1300 K, les nuages commencent à pleuvoir, créant des caractéristiques atmosphériques inégales. Pour les rotateurs rapides, cela peut conduire à une grande variabilité des signaux spectraux et photométriques que nous observons pour ces objets.
En examinant les capacités des télescopes de nouvelle génération, Plummer et Wang ont examiné comment leurs spectromètres hautement sensibles, leurs capacités d’imagerie infrarouge et leur rapport signal/bruit amélioré permettraient des études plus détaillées des VLM, des naines brunes et des exoplanètes. Celles-ci incluent la spectroscopie de transit (une variante de la photométrie de transit), où les planètes transitent périodiquement devant leurs étoiles (par rapport à l’observateur), faisant passer la lumière à travers leur atmosphère. Il existe également la spectroscopie directe, une variante de la méthode d’imagerie directe.
Dans ce cas, les astronomes comptent sur les coronographes pour bloquer la lumière d’une étoile, rendant la lumière réfléchie par les atmosphères et les surfaces des exoplanètes visibles pour leurs instruments. Dans les deux cas, Plummer et ses collègues ont examiné les types de caractéristiques atmosphériques que ces observatoires et leurs instruments avancés seraient capables de visualiser. Comme Plummer l’a ajouté :
« Il a également été proposé que les caractéristiques en bandes (comme nous le voyons sur Jupiter) pourraient être responsables de la variabilité observée. L’imagerie Doppler peut cartographier les caractéristiques météorologiques à grande échelle sur ces cibles ultra-froides, éclairant la structure thermique, chimique et dynamique des objets sous-stellaires. Cela peut nous aider à comprendre si les atmosphères de ces objets sont principalement en bandes, inégales ou une combinaison des deux régimes.
Pour leur étude, Plummer et Wang ont abordé les spectrographes que les télescopes de classe 30 mètres utiliseront pour mener des études stellaires et exoplanétaires. Cela inclut le Consortium Large Earth Finder (G-CLEF) du GMT, un spectrographe échelle de lumière visible avec optique adaptative qui effectuera des mesures de vitesse radiale (RV) précises à au moins 50 cm/s. Ces capacités permettront aux astronomes disposant du GMT de caractériser les étoiles les plus pauvres en métaux, de mesurer les masses d’exoplanètes (aussi petites que la taille de Mars) autour d’étoiles de type M (naines rouges) et de détecter l’oxygène gazeux dans l’atmosphère des exoplanètes à l’aide de spectres de transmission. .
Deuxièmement, il y a le spectrographe infrarouge à haute résolution à diffraction multi-objectifs (MODHIS) du TMT, une installation infrarouge à haute résolution à diffraction limitée. Dans le cadre du Narrow Field Infrared Adaptive Optics System (NFIRAOS), MODHIS effectuera des mesures RV de précision (30 cm/s ou plus) et obtiendra des spectres d’atmosphères d’exoplanètes en utilisant la méthode Tranist et l’imagerie directe (grâce à l’instrument coronographe du TMT). Il mesurera en outre les rotations des exoplanètes, les vitesses radiales, la dynamique des nuages et la météo.
Troisièmement, il y a l’imageur et spectrographe ELT dans l’infrarouge moyen (METIS) de l’ELT, qui couvre toute la gamme de longueurs d’onde infrarouge et sera utilisé pour tout étudier, des corps du système solaire aux étoiles, en passant par les disques protoplanétaires, les exoplanètes et les galaxies lointaines. Sur la base de leur évaluation de ces instruments et de leurs capacités, Plummer et Wang ont illustré le type de recherche qu’ils permettraient (et ses immenses implications). Comme l’a expliqué Plummer :
“Les ELT à venir et leurs instruments spectroscopiques prévus fourniront le rapport signal sur bruit et la résolution spectrale requis pour créer des cartes d’imagerie Doppler pour les naines brunes faibles et, probablement, les exoplanètes les plus brillantes, qui sont également à de grandes distances orbitales de leurs étoiles hôtes. L’imagerie Doppler des planètes géantes extrasolaires nous aidera à comprendre en quoi les atmosphères des géantes gazeuses diffèrent de celles observées dans notre propre système solaire.
“Les naines brunes sont également d’excellents analogues pour les planètes géantes gazeuses extrasolaires en raison de leur température, de leur taille et de leurs classes spectrales similaires. Les jeunes naines brunes à faible gravité de surface sont particulièrement intéressantes à cet égard car elles semblent avoir des spectres rouges similaires (probablement à partir de nuages optiquement épais) comme de nombreuses géantes gazeuses que nous avons directement imagées (par exemple les planètes HR 8799).
Des percées incroyables sont attendues dans les années à venir, grâce aux télescopes et instruments de nouvelle génération qui en dévoileront de plus en plus sur l’Univers. Aujourd’hui, les astronomes bénéficient également d’une participation accrue du grand public et d’une collaboration entre les observatoires et les scientifiques citoyens – qui aident à trier les tas de données scientifiques. L’apprentissage automatique et des algorithmes plus avancés sont également utilisés plus fréquemment, augmentant considérablement la vitesse à laquelle de nouveaux objets et exoplanètes sont découverts.
En plus des volumes d’informations que cela fournira, il y a aussi la façon dont des outils et des méthodes plus sophistiqués provoquent la transition de la découverte à la caractérisation. Non seulement il y aura probablement une augmentation exponentielle du nombre d’exoplanètes et d’autres corps confirmés, mais il y a aussi le fait que les scientifiques pourront les examiner de beaucoup plus près. Avec la capacité de déterminer les compositions chimiques et même de voir les modèles météorologiques, les scientifiques peuvent déterminer si les exoplanètes éloignées sont « habitables ».
Qui sait? Avec un peu de chance, les données pourraient révéler la première preuve de vie au-delà de la Terre et peut-être même une civilisation avancée ou deux !
Lectures complémentaires : arXiv
