En 1610, Galileo Galilei a regardé à travers un télescope et a observé: « J’ai vu Jupiter accompagné de trois étoiles fixes, totalement invisibles par leur petitesse. Les planètes sont vues très rondes, comme de petites pleines lunes. » En fait, ce qu’il a vu de ses yeux, agrandis par son premier télescope, ce sont les plus grosses lunes de la plus grande planète de notre système solaire, Jupiter. Galileo a finalement identifié Europa, Callisto, Io et Ganymède, et ils sont maintenant parfois connus sous le nom de satellites « galiléens » de Jupiter.
Aujourd’hui, le télescope de Galilée semblerait rudimentaire à côté des instruments beaucoup plus grands et plus puissants qu’utilisent les astronomes. Récemment, le télescope spatial le plus puissant jamais construit et lancé par l’humanité a rendu public ses premières images.
Pour quiconque s’intéresse à l’astronomie et à l’astrobiologie, que signifie une mission comme le télescope spatial Webb ? Le télescope Webb n’est pas conçu pour rechercher la vie mais pourrait révéler des informations importantes sur l’habitabilité des exoplanètes et donc sur le potentiel de vie au-delà de notre système solaire. Mais qu’est-ce que « regarder » à travers un télescope comme Webb implique réellement pour les scientifiques d’aujourd’hui ? Jacob Lustig-Yaeger, Erin May et Laura Mayorga, trois scientifiques en début de carrière du Johns Hopkins Applied Physics Lab, aident à expliquer à quoi ressemble la vie d’un astronome aujourd’hui.
À quoi ressemblent réellement les données d’un télescope spatial comme Webb pour un astrobiologiste ?
Le télescope possède de nombreux modes de fonctionnement que les astronomes utiliseront pour différentes investigations astronomiques. Certains des modes sont des images qui captureront des détails époustouflants de divers objets, similaires aux galaxies et aux nébuleuses observées par le télescope spatial Hubble. Mais pour les astronomes qui étudient les exoplanètes dans d’autres systèmes planétaires (appelés exoplanètes), nous sommes particulièrement intéressés par les capacités spectroscopiques de la mission.
Avez-vous déjà vu un arc-en-ciel danser sur votre mur à cause de la lumière qui brille à travers votre fenêtre ? C’est un spectre ! Un spectre est un moyen de décomposer la lumière en toutes les couleurs qui la composent afin que nous puissions mieux l’étudier. L’arc-en-ciel coloré que nous connaissons le mieux est ce qui se passe lorsque vous brisez la lumière du soleil, qui est visible à vos yeux. Mais la lumière est également composée de beaucoup plus de « couleurs » que ce que nos yeux peuvent voir. Ce télescope recherche des « arcs-en-ciel » de lumière infrarouge, qui n’est que de la chaleur, le type de lumière qui réchauffe le soleil ou une fournaise.
Le télescope n’est pas votre appareil photo typique, cependant : ses caméras sont composées de pixels qui ressemblent à un tas de seaux disposés dans une grille, comme un bac à glace. Une fois que les instruments ont divisé la lumière en cet arc-en-ciel infrarouge, chaque seau commence à se remplir d’une couleur de lumière spécifique. Chaque seau compte la quantité de lumière qui y pénètre jusqu’à ce qu’il se remplisse, ou nous disons au télescope d’arrêter de collecter la lumière.
En réalité, les données réelles ne sont qu’un tas de chiffres nous indiquant la quantité de lumière que le télescope a observée dans les couleurs spécifiques que nous voulions collecter. L' »image » que nous récupérons apparaît vraiment comme une grande bande noire et blanche, mais c’est notre arc-en-ciel infrarouge ! Pour les exoplanètes, nous prenons souvent beaucoup de ces photos, les unes après les autres, pour voir comment ces couleurs changent au fil du temps lorsque l’exoplanète passe devant ou derrière son étoile.
Au fur et à mesure que les données sont collectées, à quoi ressemble le travail quotidien des astronomes dans les années à venir ?
En bref, les astronomes de nos jours sont des scientifiques des données qui analysent les données des télescopes et développent et exécutent des simulations des processus astrophysiques qui se déroulent dans tous les différents coins de l’univers. La majorité des astronomes utilisent le langage de programmation Python pour le travail quotidien, en particulier les scientifiques en début de carrière. Pour les astronomes d’exoplanètes, la plupart de nos outils sont des progiciels personnalisés conçus spécifiquement pour l’analyse et la modélisation des données d’exoplanètes, parfois même adaptés au télescope spécifique que nous utilisons ou adaptés au type d’exoplanète que nous étudions.
Alors que le télescope collecte des données sur les exoplanètes au cours des prochaines années, les astronomes passeront par de nombreuses étapes pour traduire les données brutes du télescope en nouvelles connaissances sur les exoplanètes et la nature de leurs atmosphères. Comme mentionné précédemment, les données commencent par une série d’images individuelles de l’arc-en-ciel infrarouge, chacune prise l’une après l’autre lorsqu’une exoplanète passe devant ou derrière son étoile. Mais la quantité de lumière que compte chaque seau s’accompagne également de beaucoup de bruit. Pensez à cela comme si vous essayiez de prendre un selfie dans le noir : la photo est un peu granuleuse. C’est parce que c’est plein de bruit et très peu de lumière ! Les astronomes d’observation passent beaucoup de temps à essayer de trouver toutes les sources de bruit et à trouver des moyens astucieux de les supprimer à l’aide d’outils logiciels personnalisés. Après avoir supprimé le bruit de chaque image arc-en-ciel infrarouge, nous pouvons créer ce que nous appelons une courbe de lumière, un moyen de montrer comment chaque couleur de lumière change avec le temps.
Lorsque nous observons des exoplanètes, nous recherchons généralement un creux de lumière lorsque la planète passe devant l’étoile, et ce creux change de taille en fonction de la couleur de la lumière. Lorsque cette planète passe devant l’étoile, une certaine lumière stellaire traverse l’atmosphère de la planète et interagit avec les gaz et les molécules qui la composent. Nous pouvons utiliser des informations sur la taille de ce creux pour nous dire ce qu’il y a dans l’atmosphère de la planète.
Ensuite, les astronomes analysent le spectre de l’exoplanète à l’aide de modèles informatiques pour comprendre comment les caractéristiques uniques de l’atmosphère de l’exoplanète ont donné lieu à ce que le télescope a observé. Grâce à des décennies de mesures en laboratoire ici sur Terre, nous savons précisément comment les molécules individuelles interagissent avec la lumière et que chaque molécule possède sa propre empreinte spectrale unique. Autrement dit, chaque molécule interagit avec la lumière d’une manière légèrement différente, ce qui nous permet de les reconnaître dans nos observations. En utilisant ces principes, les astronomes exécutent des simulations informatiques de millions d’atmosphères différentes possibles qui contiennent différents mélanges de gaz pour identifier quel cocktail de molécules offre le meilleur accord avec le spectre mesuré par le télescope.
Bien sûr, une fois toutes les analyses terminées, les astronomes n’ont pas encore tout à fait terminé. Comme toute bonne entreprise scientifique, les étapes finales consistent à rédiger tous les résultats dans un manuscrit qui peut être évalué par des pairs, publié dans une revue universitaire et partagé à travers le monde.