Des scientifiques décrivent un télescope à gravité qui pourrait imager des exoplanètes

Depuis la découverte de la première exoplanète en 1992, les astronomes ont détecté plus de 5 000 planètes en orbite autour d’autres étoiles. Mais lorsque les astronomes détectent une nouvelle exoplanète, nous n’apprenons pas grand-chose à son sujet : nous savons qu’elle existe et quelques caractéristiques à son sujet, mais le reste est un mystère.

Pour contourner les limites physiques des télescopes, les astrophysiciens de l’Université de Stanford ont travaillé sur une nouvelle technique d’imagerie conceptuelle qui serait 1 000 fois plus précise que la technologie d’imagerie la plus puissante actuellement utilisée. En tirant parti de l’effet de déformation de la gravité sur l’espace-temps, appelé lentille, les scientifiques pourraient potentiellement manipuler ce phénomène pour créer une imagerie bien plus avancée que n’importe quel présent aujourd’hui.

Dans un article publié le 2 mai dans Le Journal Astrophysique, les chercheurs décrivent une façon de manipuler la lentille gravitationnelle solaire pour voir des planètes en dehors de notre système solaire. En positionnant un télescope, le soleil et une exoplanète dans une ligne avec le soleil au milieu, les scientifiques pourraient utiliser le champ gravitationnel du soleil pour amplifier la lumière de l’exoplanète lors de son passage. Contrairement à une loupe qui a une surface incurvée qui dévie la lumière, une lentille gravitationnelle a un espace-temps incurvé qui permet d’imager des objets éloignés.

« Nous voulons prendre des photos de planètes en orbite autour d’autres étoiles qui soient aussi bonnes que les photos que nous pouvons faire des planètes de notre propre système solaire », a déclaré Bruce Macintosh, professeur de physique à la School of Humanities and Sciences de Stanford et directeur adjoint du Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC). « Avec cette technologie, nous espérons prendre une photo d’une planète à 100 années-lumière qui a le même impact que l’image de la Terre d’Apollo 8. »

Le hic, à l’heure actuelle, est que leur technique proposée nécessiterait des voyages spatiaux plus avancés que ce qui est actuellement disponible. Pourtant, la promesse de ce concept et ce qu’il pourrait révéler sur d’autres planètes mérite d’être examiné et développé de manière continue, ont déclaré les chercheurs.

Les avantages de la flexion légère

La lentille gravitationnelle n’a été observée expérimentalement qu’en 1919 lors d’une éclipse solaire. La lune obstruant la lumière du soleil, les scientifiques ont pu voir des étoiles proches du soleil décalées de leurs positions connues. C’était la preuve sans équivoque que la gravité pouvait plier la lumière et la première preuve observationnelle que la théorie de la relativité d’Einstein était correcte. Plus tard, en 1979, Von Eshleman, un professeur de Stanford, a publié un compte rendu détaillé de la façon dont les astronomes et les engins spatiaux pouvaient exploiter la lentille gravitationnelle solaire. (Pendant ce temps, les astronomes, dont beaucoup au KIPAC de Stanford, utilisent désormais régulièrement la puissante gravité des galaxies les plus massives pour étudier l’évolution précoce de l’univers.)

Mais il faudra attendre 2020 pour que la technique d’imagerie soit explorée en détail afin d’observer les planètes. Slava Turyshev du Jet Propulsion Laboratory du California Institute of Technology a décrit une technique dans laquelle un télescope spatial pourrait utiliser des fusées pour balayer les rayons de lumière d’une planète afin de reconstruire une image claire, mais la technique nécessiterait beaucoup de carburant et de temps.

S’appuyant sur les travaux de Turyshev, Alexander Madurowicz, un Ph.D. étudiant au KIPAC, a inventé une nouvelle méthode qui permet de reconstruire la surface d’une planète à partir d’une seule image prise en regardant directement le soleil. En capturant l’anneau de lumière autour du soleil formé par l’exoplanète, l’algorithme conçu par Madurowicz peut déformer la lumière de l’anneau en inversant la flexion de la lentille gravitationnelle, qui transforme l’anneau en une planète ronde.

Madurowicz a démontré son travail en utilisant des images de la Terre en rotation prises par le satellite DSCOVR qui se trouve entre la Terre et le soleil. Ensuite, il a utilisé un modèle informatique pour voir à quoi ressemblerait la Terre en regardant à travers les effets de déformation de la gravité du soleil. En appliquant son algorithme aux observations, Madurowicz a pu récupérer les images de la Terre et prouver que ses calculs étaient corrects.

Afin de capturer une image d’exoplanète à travers la lentille gravitationnelle solaire, un télescope devrait être placé au moins 14 fois plus loin du soleil que Pluton, au-delà du bord de notre système solaire et plus loin que les humains n’ont jamais envoyé un vaisseau spatial. Mais, la distance est une infime fraction des années-lumière entre le soleil et une exoplanète.

« En dépliant la lumière courbée par le soleil, une image peut être créée bien au-delà de celle d’un télescope ordinaire », a déclaré Madurowicz. « Ainsi, le potentiel scientifique est un mystère inexploité car il ouvre cette nouvelle capacité d’observation qui n’existe pas encore. »

Sites au-delà du système solaire

Actuellement, pour imager une exoplanète à la résolution décrite par les scientifiques, il faudrait un télescope 20 fois plus large que la Terre. En utilisant la gravité du soleil comme un télescope, les scientifiques peuvent l’exploiter comme une lentille naturelle massive. Un télescope de la taille de Hubble en combinaison avec la lentille gravitationnelle solaire serait suffisant pour imager des exoplanètes avec suffisamment de puissance pour capturer des détails fins à la surface.

« La lentille gravitationnelle solaire ouvre une toute nouvelle fenêtre d’observation », a déclaré Madurowicz. « Cela permettra d’étudier la dynamique détaillée des atmosphères de la planète, ainsi que la distribution des nuages ​​et des caractéristiques de surface, que nous n’avons aucun moyen d’étudier maintenant. »

Madurowicz et Macintosh disent tous deux qu’il faudra au moins 50 ans avant que cette technologie puisse être déployée, probablement plus longtemps. Pour que cela soit adopté, nous aurons besoin d’engins spatiaux plus rapides car, avec la technologie actuelle, cela pourrait prendre 100 ans pour se rendre à l’objectif. En utilisant des voiles solaires ou le soleil comme lance-pierre gravitationnel, le temps pourrait être aussi court que 20 ou 40 ans. Malgré l’incertitude de la chronologie, la possibilité de voir si certaines exoplanètes ont des continents ou des océans, a déclaré Macintosh, les motive. La présence de l’un ou l’autre est un indicateur fort qu’il peut y avoir de la vie sur une planète lointaine.

« C’est l’une des dernières étapes pour découvrir s’il y a de la vie sur d’autres planètes », a déclaré Macintosh. « En prenant une photo d’une autre planète, vous pourriez la regarder et peut-être voir des échantillons verts qui sont des forêts et des taches bleues qui sont des océans – avec cela, il serait difficile d’affirmer qu’elle n’a pas de vie. »