Instrument de la NASA pour explorer les atmosphères des exoplanètes

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Vaisseau spatial ARIEL de l'ESA

Ce concept d’artiste montre le vaisseau spatial ARIEL de l’Agence spatiale européenne en route vers Lagrange Point 2 (L2) – une orbite gravitationnelle centrée sur le Soleil – où il sera protégé du Soleil et où le ciel sera dégagé. Le JPL de la NASA gérera l’instrument CASE de la mission. Crédit: ESA / STFC Espace RAL / UCL / Europlanet-Science Office

La NASA apportera un instrument à une mission spatiale européenne qui explorera pour la première fois les atmosphères de centaines de planètes en orbite autour de notre Soleil, ou exoplanètes.

L’instrument, appelé Contribution à la spectroscopie d’exoplanètes ARIEL, ou CASE, ajoute des capacités scientifiques à la mission de grande enquête ou ARIEL de l’ESA (Agence spatiale européenne).

Le lancement de la navette spatiale ARIEL à bord de CASE est prévu pour 2028. CASE sera géré par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, en Californie, avec JPL l'astrophysicien Mark Swain en tant que chercheur principal.

"Je suis ravi que la NASA s'associe à l'ESA dans cette mission historique pour mieux comprendre en quoi consiste l'atmosphère des exoplanètes et pour comprendre comment ces planètes se forment et évoluent", a déclaré Thomas Zurbuchen, administrateur adjoint de la mission scientifique de la NASA. Direction à Washington. «Plus nous disposons d'informations sur les exoplanètes, plus nous comprenons mieux les origines de notre système solaire et nous poursuivons notre recherche de planètes semblables à la Terre ailleurs.»

Jusqu'à présent, les scientifiques ont trouvé plus de 4 000 exoplanètes confirmées dans le voie Lactée. Le télescope spatial à la retraite Kepler de la NASA et le satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) actif sont deux observatoires qui ont contribué à ce décompte. Ces télescopes ont découvert des planètes en observant la luminosité d'une étoile s'éteignant lorsqu'une planète le traverse, un événement appelé «transit». ARIEL, portant CASE, fera progresser encore plus la recherche de planètes, en se plongeant déjà plus profondément dans les planètes connu pour exister.

ARIEL sera en mesure de voir les empreintes chimiques, ou «spectres» de l’atmosphère d’une planète à la lumière de son étoile. Pour ce faire, l’engin spatial observera la lumière des étoiles filant à travers les atmosphères des planètes lorsqu’elles passent devant leurs étoiles, ainsi que la lumière émise par les atmosphères des planètes juste avant et après leur disparition derrière leurs étoiles. Ces empreintes permettront aux scientifiques d'étudier les compositions, les températures et les processus chimiques dans l'atmosphère des planètes observées par ARIEL.

Ces empreintes chimiques d'atmosphères d'exoplanètes sont extrêmement pâles. Leur identification est un défi de taille pour les astronomes et nécessite un télescope pour regarder les étoiles pendant longtemps. Mais de nombreux observatoires spatiaux sont polyvalents et doivent partager leur temps entre différents types d’investigations scientifiques. ARIEL sera le premier vaisseau spatial entièrement consacré à l'observation de centaines d'atmosphères d'exoplanètes, cherchant à identifier leur contenu, leurs températures et leurs processus chimiques. L’ajout de CASE, qui permettra d’observer les nuages ​​et les nuages, fournira une image plus complète des atmosphères exoplanètes observées par ARIEL.

Jusqu'à présent, les télescopes n'ont pu sonder soigneusement l'atmosphère d'une poignée d'exoplanètes afin de déterminer leurs propriétés chimiques. L’échantillon beaucoup plus vaste et plus diversifié d’ARIEL permettra aux scientifiques d’envisager ces mondes non seulement comme des objets exotiques individuels, mais également comme une population, et de découvrir de nouvelles tendances concernant leurs points communs et leurs différences.

L'instrument CASE sera sensible à la lumière aux longueurs d'onde proches de l'infrarouge, ce qui est invisible pour les yeux humains, ainsi qu'à la lumière visible. Ceci complète l’autre instrument d’ARIEL, appelé spectromètre infrarouge, qui fonctionne à des longueurs d’onde plus longues. CASE examinera en particulier les nuages ​​et les nuées d’exoplanètes – en déterminant leur fréquence, ainsi que leur influence sur la composition et les autres propriétés des atmosphères planétaires. CASE permettra également de mesurer l’albédo de chaque planète, la quantité de lumière réfléchie par la planète.

La sonde se concentrera sur les planètes extrêmement chaudes de notre galaxie, avec des températures supérieures à 600 degrés Fahrenheit (320 degrés Celsius). Ces planètes sont plus susceptibles de passer par leur étoile que les planètes en orbite plus éloignée et leurs courtes périodes orbitales offrent plus de possibilités d'observer les transits au cours d'une période donnée. De plus en plus de transits donnent aux astronomes plus de données, leur permettant de révéler la faible empreinte chimique de l’atmosphère de la planète.

La planète planète chaude d’ARIEL inclura des géantes gazeuses comme Jupiter, ainsi que de petites planètes gazeuses appelées mini-Neptunes et des mondes rocheux plus grands que notre planète appelée super-terres. Bien que ces planètes soient trop chaudes pour accueillir la vie telle que nous la connaissons, elles nous en diront beaucoup sur la façon dont les planètes et les systèmes planétaires se forment et évoluent. De plus, les techniques et connaissances acquises lors de l’étude des exoplanètes avec ARIEL et CASE seront utiles lorsque les scientifiques utiliseront de futurs télescopes pour se projeter dans des mondes plus petits, plus froids et plus rocheux, dans des conditions qui ressemblent davantage à celles de la Terre.

L’instrument CASE se compose de deux détecteurs et de l’électronique associée qui contribuent au système de guidage d’ARIEL. CASE tire parti des mêmes détecteurs et des mêmes composants électroniques que la NASA contribue à la mission Euclid de l’ESA, qui explorera des questions profondes sur la structure de l’univers et sur ses deux plus grands composants mystères: la matière noire et l’énergie noire.

Le vaisseau spatial ARIEL avec CASE à bord se trouvera sur la même orbite que le télescope spatial James Webb de la NASA, qui devrait être lancé en 2021. Les deux voyageront à environ 1 million de milles (1,5 million de kilomètres) de la Terre jusqu'à un point de stabilité gravitationnel spécial appelé Lagrange Point 2. Cet emplacement permet au vaisseau spatial de faire le tour du Soleil avec la Terre, tout en utilisant peu de carburant pour maintenir son orbite.

Alors que Webb sera également capable d’étudier les atmosphères des exoplanètes et que ses instruments couvrent une plage de lumière similaire à ARIEL, Webb ciblera un échantillon plus petit d’exoplanètes à étudier plus en détail. Parce que le temps de Webb sera divisé, partagé avec des investigations sur d’autres aspects de l’univers, il fournira des connaissances détaillées sur certaines exoplanètes plutôt que de parcourir des centaines de personnes. ARIEL sera lancé plusieurs années après Webb. Il sera donc en mesure de capitaliser sur les leçons tirées de Webb en termes de planification des observations et de sélection des planètes à étudier.

«C’est une période passionnante pour la science des exoplanètes alors que nous nous tournons vers la prochaine génération de télescopes et d’instruments spatiaux», a déclaré Paul Hertz, directeur de la division d’astrophysique au siège de la NASA, à Washington. «CASE s’ajoute à un ensemble exceptionnel de technologies qui nous aideront à mieux comprendre notre place dans la galaxie.»

CASE est une mission d’opportunité des explorateurs en astrophysique, gérée par JPL. Le programme d'exploration d'astrophysique est géré par le Goddard Space Flight Center de la NASA situé dans la Ceinture de verdure du Maryland, pour le compte de la Direction de la mission scientifique au siège de la NASA à Washington, DC.

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