Comment PLATO va permettre de détecter des exoplanètes

Les 26 yeux de PLATO vont nous permettre de détecter des exoplanètes de type terrestre dans la zone habitable des étoiles proches de type solaire.

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Photo de Guillermo Ferla sur Unsplash

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Comment PLATO va permettre de détecter des exoplanètes

Publié le 8 janvier 2023
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PLATO est l’acronyme de PLAnetary Transits and Oscillations of stars.

C’est l’un des deux projets de missions robotiques scientifiques dont la préparation est mise en exergue par l’ESA dans son nouveau budget triennal. La mission fait partie du programme à long terme « Cosmic-Vision » de l’ESA qu’il était déjà prévu de réaliser entre 2015 et 2025. Elle vient d’être en quelque sorte « mise sur orbite » avec quelques autres par la dernière conférence interministérielle de l’ESA en novembre 2022. Son originalité, qui doit lui permettre des performances jamais atteintes dans la détection des exoplanètes, est à souligner.

 

Le contexte

Pour la situer, regardons les questions auxquelles le programme Cosmic-Vision doit permettre de répondre : « Quelles sont les conditions de formation des planètes et d’émergence de la vie ? Comment fonctionne le système solaire ? Quelles sont les lois physiques fondamentales de l’Univers ? Comment l’Univers est-il né et de quoi est-il fait ? » (selon les termes du rapport de définition de mission).

Dans ce cadre les diverses missions sont classées S pour les petites (au niveau des agences spatiales des pays membres, coût environ 50 millions d’euros), M pour les moyennes (ESA seule ou en partenariat, coût environ 500 millions d’euros) et L pour les grosses (avec direction européenne, coût environ 900 millions d’euros). Une dernière catégorie, F pour Fast, comprend de petites missions qui peuvent être montées et lancées « rapidement » avec les missions M.

La première mission S est CHEOPS (lancée en 2019, exoplanètes, conçue par l’Université de Berne). Les missions M sont Solar Orbiter (M1, lancée en février 2020), Euclid (M2, énergie sombre et matière noire, lancement prévu en 2023), PLATO (M3, objet de cet article), ARIEL (M4, exoplanètes, lancement prévu en 2029) et EnVision (M5, Vénus, lancement prévu au début de la décennie 2030). Les missions L sont JUICE (L1, pour les lunes de Jupiter, lancement prévu pour l’été 2023), ATHENA (L2, observatoire à rayons X) et LISA (L3, ondes gravitationnelles). Les deux missions F prévues sont Comet Interceptor et ARRAKIHS (pour tester certains aspects du modèle standard de la cosmologie – ΛCDM – à partir de l’observation des galaxies naines et des courants stellaires de leur environnement).

À l’issue de la réunion interministérielle de novembre 2022, l’ESA a mis en exergue JUICE et Euclid (L1 et M2), PLATO et ARIEL (M3 et M4), et Comet Interceptor (F1).

On peut en déduire que ces missions vont être complétées ou développées en priorité. Je vous parlerai donc aujourd’hui de PLATO.

 

L’objet

L’objet principal de PLATO est d’étudier les planètes de type terrestre orbitant autour des étoiles de type solaire à l’intérieur de leur zone habitable.

Ces planètes sont évidemment les plus intéressantes mais aussi plus difficiles à observer que les grosses et ceci d’autant plus qu’elles orbitent des étoiles à forte luminosité (et non pas des naines-rouges). Elles ne parcourent en effet leur orbite que sur une période proche de l’année terrestre (elles doivent être suffisamment éloignées de l’étoile pour être dans sa zone habitable) et elles n’ont qu’un effet très réduit sur leur étoile du fait de leur différence de masse et de luminosité. Nous n’avons à ce jour identifié aucune véritable « nouvelle Terre » bien que nous ayons découvert plus de 5000 exoplanètes (5277 confirmées le 9 décembre 2022).

Pour atteindre son objectif, PLATO fournira, selon les termes du rapport de définition de mission, « des informations clés (rayons planétaires, densités moyennes, âges, irradiance stellaire et architecture des systèmes planétaires) nécessaires pour déterminer l’habitabilité ». Et elle sera en mesure de le faire car « elle pourra capitaliser sur les énormes développements de la photométrie de haute précision depuis l’espace et des techniques de spectroscopie ultra-stable à partir du sol qui ont été largement dominées par l’Europe au cours des 20 dernières années. » NB : la photométrie est l’étude quantitative de la transmission du rayonnement lumineux.

Comme évoqué, l’étude de PLATO ne se limitera pas à la planète seulement mais elle portera aussi sur l’étoile dont elle dépend et le système planétaire auquel elle appartient. Utilisant la technique d’« astérosismologie », le télescope va pouvoir déduire l’âge de l’étoile du fait de son activité. À noter que parler de petites exoplanètes oblige à ce que l’étoile autour de laquelle elles tournent ait pour nous une forte visibilité (autrement leur influence sur elle ne serait pas perceptible). Autrement dit, on ne va rechercher que les étoiles de cette catégorie ayant une magnitude apparente (V) élevée, donc qui sont relativement proches de notre système solaire.

De ce point de vue on va se focaliser sur les étoiles de magnitude V<11 à V=13 (NB : Hubble « voit » jusqu’à V=31 et l’œil nu jusqu’à V=6). Ce qui n’exclut bien sûr pas que l’on étudie les étoiles plus lumineuses et certaines moins lumineuses si elles paraissent intéressantes. L’objet secondaire de PLATO, clairement énoncé, est bien d’étudier toute étoile ou planète qui seraient accessibles à l’observation du fait des capacités disponibles. Cela permettra notamment de compléter la base de données de Gaia. L’étude d’une multitude de systèmes permettra de les comparer les uns aux autres et à notre propre système solaire et permettra de mieux comprendre ce qui fait la spécificité de ce dernier.

Toute planète jugée intéressante pourra faire ensuite l’objet d’une étude plus poussée par des télescopes plus puissants dont nous disposons tels que le JWST ou l’E-ELT (quand il sera prêt). On peut espérer ainsi analyser leur atmosphère par spectrographie lors des transits.

 

Les moyens

Le moyen utilisé principalement sera donc la photométrie.

Les variations d’intensité de rayonnement permettront l’étude des transits des planètes (devant l’étoile et lors de leur passage derrière l’étoile), aussi bien que l’évaluation de leur albedo et l’astérosismologie de leur étoile. Ce sera la première fois que cette technique sera pratiquée systématiquement. Il s’agit de suivre les oscillations de luminosité de l’étoile pour en déduire son activité de convection interne et donc sa composition aussi bien que son stade d’évolution (son âge).

On attend plusieurs milliers de courbes lumineuses planétaires et de 300 000 à 1 000 000 de courbes lumineuses stellaires. La précision de la photométrie permettra aussi l’utilisation du TTV (Transit Timing Variation) c’est-à-dire l’étude de l’éventuelle perturbation de la durée d’un transit par le passage d’une autre ou de plusieurs autres planètes (les premiers TTV ont été utilisés avec KEPLER mais pour de grosses planètes).

 

Les missions précédentes

PLATO n’est évidemment pas le premier observatoire dédié à la détection des exoplanètes.

Il y a eu notamment KEPLER, TESS et CHEOPS. Mais c’est l’observatoire auquel on va donner le plus de chances de détecter une nouvelle Terre dans la proximité de celle-ci. KEPLER (NASA) devenue K2 après la perte de ses roues de réaction (et jusqu’à sa fin en 2019), était beaucoup plus limité dans sa sensibilité. Comme un crayon lumineux, il explorait un tout petit secteur du ciel (0,28 %), 20 fois plus petit que celui de PLATO mais sur une très grande profondeur (3000 années-lumière), et sans pouvoir focaliser longtemps une cible. Il ne pouvait donc voir que de grosses planètes orbitant très près de leur étoile. TESS (Transit Exoplanet Survey Satellite) également conçu et réalisé par la NASA, était plus précis mais il ne travaillait que sur les étoiles les plus brillantes (et plus brillantes que celles que va voir PLATO). Surtout il passait d’une bande d’observation à l’autre tous les 27 jours et ne pouvait donc distinguer que les planètes à plus courtes périodes orbitales sauf bien sûr dans la région polaire puisque c’est là que se rejoignent toutes les bandes d’observations. Mais cette région polaire ne représente que 2 % de la voute céleste. Sa mission prolongée a pris fin en septembre 2022. CHEOPS est une mission de suivi et de caractérisation qui n’a pas vocation à découvrir de nouvelles exoplanètes mais à mieux les comprendre (période orbitale, densité…). Elle est en cours jusqu’à la fin du premier semestre 2023.

 

Le fonctionnement

PLATO va pouvoir observer la même grande surface sur la durée d’au moins une année terrestre.

Elle  pourra donc observer au moins deux transits de la même planète de type terrestre. Cela elle le doit à un dispositif très ingénieux, 24 + 2 petits télescopes de 20 cm de diamètre (ses yeux) qui fonctionnant ensemble, donneront l’équivalent d’un miroir primaire de 100 cm et couvriront constamment en surface sur la voûte céleste 10 000 fois la surface de la Lune soit 2232 degrés carré (NB : la totalité du ciel fait 41 253 deg2).

Elle maintiendra cette couverture à partir d’une orbite large autour du point de Lagrange L2, donc libre de toute interférence solaire ou terrestre (TESS et CHEOPS sont sur des orbites terrestres). Chaque télescope est équipé d’une caméra (24, normales, deux rapides). En réalité sur les 26 télescopes/caméras, deux ont un rôle particulier, celui de maintenir le bon positionnement de l’instrument (attitude) et son orientation. Outre que l’utilisation de tous ces télescopes/caméra ensemble donnera un champ de vision plus large, elle permettra d’améliorer le ratio signal/bruit (donc de distinguer des déplacements/fluctuations plus petits que jamais). Chaque télescope a un champ de vision de 1037 deg2 et on parviendra aux 2232 degrés carrés collectifs en les combinant en quatre groupes de six. Accessoirement ils observeront les astres les plus brillants (V de 4 à 8).

Le pointage pourra être maintenu pendant plus d’un an mais il devra y avoir, sans quitter l’objectif, rotation des panneaux solaires de 90° tous les trois mois afin que la surface de ces panneaux puisse garder la meilleure orientation par rapport au Soleil. Les prises de vue des 24 caméras normales se feront toutes les 25 secondes, celles des caméras rapides, toutes les 2,5 secondes. L’observatoire fonctionnera pendant au moins trois ans soit deux années d’observations primaires suivie d’une année d’observation spécifique sur les points les plus intéressants (confirmation de transits) ou bien deux fois deux ans. NB : en principe, le signal d’une planète n’est pas confirmé comme scientifiquement exploitable à moins de trois transits. Mais la durée de vie possible est plus longue (6,5 ans) au cas où (il y a souvent eu des extensions de missions) et toujours au cas où, les consommables seront fournis pour huit ans. Le lancement est prévu en 2025 ou 2026 avec un petit problème car il était prévu à ce niveau une coopération avec les Russes (utilisation d’une fusée Soyouz !).

L’observatoire spatial sera complété par une installation au sol (observatoires terrestres existant) qui mènera des observations spectroscopiques sur les cibles identifiées et qui, par la détermination de la vitesse radiale de l’étoile, vont pouvoir évaluer la masse de la planète.

Le contracteur principal de l’ESA est la société allemande OHB System AG qui travaille avec Thales Alenia Space (France et Grande Bretagne) et Beyond Gravity (Zürich, Suisse). NB : Beyond Gravity est l’ancienne RUAG Space (changement de nom en mars 2021). Pour PLATO, Beyond Gravity fournira le système qui utilisera l’énergie solaire (panneaux solaires de 30 m2). Les panneaux solaires procureront aussi l’isolation thermique aux caméras et aux équipements électroniques.

La mission est préparée et sera suivie par un consortium de quelques 350 scientifiques de 23 pays (européens auxquels se sont joints quelques américains et brésiliens) : Allemagne, Australie, Autriche, Belgique, Brésil, Canada, Chili, Danemark, Espagne, États-Unis, France, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, Roumanie, Royaume-Uni, Slovénie, Tchéquie, Suède, Suisse. Le PI (Principal Investigator, chef de projet) est actuellement la professeure Heike Rauer de la DLR (agence spatiale allemande). Elle a succédé en 2012 au Dr Claude Catala de l’Observatoire de Paris. Les co-PI sont le Dr Miguel Mass-Hess (CSIC INTA, Madrid) et le Dr Isabella Pagano (INAF, Italie). Les participants suisses au Consortium sont membres de l’Université de Berne (notamment le professeur Willy Benz) et de l’Université de Genève (notamment le professeur Stéphane Udry).

Le financement est fourni par les pays membres de l’ESA. Reste le problème ennuyeux du lancement ! Mais après les deux premières années d’observation, on aura peut-être enfin découvert et certifié une vraie nouvelle-Terre ? Je suis impatient !

Il y en a encore pour un peu de temps ! En attendant je vous souhaite une belle et bonne année 2023.

Illustration de titre : l’observatoire spatial PLATO, vue d’artiste, crédit ESA/ATG medialab.

Liens :

https://platomission.com/

https://platomission.files.wordpress.com/2018/05/plato2-rb.pdf

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Plato_factsheet

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2019/07/aa35269-19/aa35269-19.html

 

Sur le web

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