La chasse spectroscopique de Webb aux planètes semblables à la Terre | Dmshaulers

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Le télescope spatial James Webb de la NASA étudie les exoplanètes potentiellement habitables de notre galaxie, en se concentrant sur les petites planètes qui pourraient abriter la vie en raison de leur emplacement dans la zone habitable. La détection des atmosphères, sans parler des biosignatures indicatives de la vie, est extrêmement difficile en raison de la petite taille des signaux émis par ces planètes et des interférences de leurs étoiles hôtes. Crédit : SciTechDaily.com

Que Télescope spatial James Webb recherche activement de petites exoplanètes potentiellement habitables, en utilisant la spectroscopie de transmission pour analyser leur composition atmosphérique. Le processus est compliqué par la petite taille des signaux et la nécessité de périodes d’observation prolongées, ce qui rend la détection des biosignatures de la vie une tâche exigeante.

Les exoplanètes sont courantes dans notre galaxie, et certaines orbitent même dans la zone dite habitable de leur étoile. Le télescope spatial James Webb de la NASA a été occupé à observer quelques-unes de ces petites planètes potentiellement habitables, et les astronomes travaillent désormais d’arrache-pied pour analyser les données Webb. NASA a invité les Drs. Knicole Colón et Christopher Stark, deux scientifiques du projet Webb au Goddard Space Flight Center de la NASA, pour nous en dire plus sur les défis liés à l’étude de ces autres mondes.

Définition des planètes potentiellement habitables

“Une planète potentiellement habitable est souvent définie comme une planète de taille similaire à la Terre qui orbite dans la “zone habitable” de son étoile, un endroit où la planète pourrait a une température à laquelle l’eau liquide pourrait existe à sa surface. Nous connaissons actuellement environ 30 planètes, qui peuvent être de petites planètes rocheuses comme la Terre, qui orbitent dans la zone habitable.

“Cependant, rien ne garantit qu’une planète en orbite dans la zone habitable soit réellement habitable (elle pourrait abriter la vie), et encore moins habitée (elle abrite actuellement la vie). Au moment de la rédaction de cet article, il n’existe qu’une seule planète habitable et habitée connue. Terre!

Comparaison des étoiles G, K et M pour l'habitabilité

Cette infographie compare les caractéristiques de trois classes d’étoiles dans notre galaxie : les étoiles semblables au Soleil sont classées comme étoiles G ; les étoiles moins massives et plus froides que notre soleil sont des naines K ; et les étoiles encore plus faibles et plus froides sont les naines M rougeâtres. La taille de la zone habitable est différente pour chaque classe d’étoiles. Dans notre système solaire, la zone habitable commence juste au-delà de l’orbite de Vénus et inclut presque Mars. Crédit : NASA, ESA et Z. Levy (STScI)

Les défis de l’observation des atmosphères des exoplanètes

« Les mondes potentiellement habitables observés par Webb sont tous exoplanètes en transit, ce qui signifie que leurs orbites sont presque par la tranche, elles passent donc devant leurs étoiles hôtes. Webb profite de cette orientation pour effectuer une spectroscopie en transmission lorsque la planète passe devant son étoile. Cette orientation nous permet d’examiner la lumière des étoiles filtrée à travers l’atmosphère des planètes pour connaître leur composition chimique.

“Cependant, la quantité de lumière stellaire bloquée par la fine atmosphère d’une petite planète rocheuse est faible, généralement bien inférieure à 0,02 %. La simple détection d’une atmosphère autour de ces petits mondes est très difficile. Il est encore plus difficile d’identifier la présence de ​​vapeur d’eau, qui peut renforcer la possibilité de recherche d’habitation. biosignatures (gaz produits biologiquement) est extraordinairement difficile, mais aussi une entreprise passionnante.


Lorsqu’un exoplanète passe directement entre son étoile hôte et l’observateur, on dit que la planète passe devant son étoile hôte. Ce transit atténue la lumière de l’étoile d’une quantité mesurable, et la lumière des étoiles est également filtrée à travers l’atmosphère de l’exoplanète, si elle en possède une. Cette animation montre une seule planète et le changement correspondant des niveaux de lumière pendant le transit. Crédit : Jet Propulsion Laboratory de la NASA

“Il n’existe actuellement qu’une poignée de petits mondes potentiellement habitables considérés comme disponibles pour la caractérisation atmosphérique avec Webb, notamment les planètes LHS 1140 b et TRAPPIST-1 e.

Défis techniques dans la découverte de biosignatures

“Quelques travaux théoriques récents l’exploration de la détectabilité des molécules gazeuses dans l’atmosphère de la super-Terre LHS 1140 b met en évidence plusieurs défis dans la recherche de biosignatures. Les travaux notent qu’environ 10 à 50 transits de la planète autour de son étoile hôte, équivalents à 40 à 200 heures d’observation avec Webb, seraient nécessaires pour tenter de détecter des biosignatures potentielles, telles que l’ammoniac, la phosphine, le chlorométhane et l’oxyde nitriquedans le meilleur des cas, dans une atmosphère claire et sans nuages.

Spectre de transmission d'une atmosphère semblable à la Terre

Un spectre de transmission simulé d’une atmosphère semblable à la Terre montre les longueurs d’onde de la lumière solaire absorbées par des molécules telles que l’ozone (O3), l’eau (H2O), le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4). (Notez que sur ce graphique, l’axe y montre la quantité de lumière bloquée par l’atmosphère de la planète semblable à la Terre plutôt que la luminosité de la lumière solaire traversant l’atmosphère : la luminosité diminue de bas en haut.) Modèle de spectre de transmission de Lisa Kaltenegger et Zifan Lin 2021 ApJL 909. Crédit : NASA, ESA, Leah Hustak (STScI)

La complexité des programmes d’observation des exoplanètes

“Étant donné que Webb ne peut pas voir le système LHS 1140 toute l’année en raison de l’emplacement du système dans le ciel, il faudrait plusieurs années, voire près d’une décennie, pour collecter 50 observations de transit de LHS 1140 b. La recherche de biosignatures peut nécessiter voire plus de 50 observations de transit si l’atmosphère de la planète est nuageuse.

“On sait que la plupart des petites exoplanètes ont des nuages ​​ou une brume qui atténuent ou cachent le signal recherché. Les signaux atmosphériques provenant de ces gaz de biosignature ont également tendance à se chevaucher avec d’autres signaux atmosphériques attendus (par exemple dus au méthane gazeux ou au dioxyde de carbone), donc faire la distinction entre les différents signaux constitue un autre défi.

Planètes hycéennes : une nouvelle voie de recherche

“Une avenue potentielle dans la recherche de biosignatures réside dans l’étude des planètes hycéennes, qui sont une classe théorique de planètes de la taille d’une super-Terre avec une atmosphère relativement mince et riche en hydrogène et un océan d’eau liquide important. La super-Terre K2- 18 b est une candidate pour une planète hycéenne potentiellement habitable sur la base des données actuelles de Webb et d’autres observatoires.

“Des travaux récemment publiés ont utilisé NIRSpec et NIRISS pour détecter le méthane et le dioxyde de carbone dans l’atmosphère de K2-18 b, mais pas dans l’eau. Cela signifie que la proposition selon laquelle K2-18 b est un monde hycéen avec de l’eau liquide est toujours basée sur des théories théoriques. modèles, sans aucune preuve d’observation directe pour l’instant. Les auteurs des travaux ont également suggéré la présence possible de la biosignature potentielle du sulfure de diméthyle dans l’atmosphère de K2-18 b, mais le signal potentiel du sulfure de diméthyle est trop faible pour une détection définitive dans le courant données.

Conception artistique du télescope spatial James Webb

Vue d’artiste du télescope spatial James Webb. Crédit : NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

“Le concept et l’étude de la classe des planètes hycéennes sont très nouveaux, de sorte que des interprétations alternatives du scénario de l’eau liquide (et donc du potentiel d’un environnement habitable) sont toujours à l’étude. Les prochaines observations de Webb avec les instruments NIRSpec et MIRI devraient ont permis de mieux comprendre la nature de la potentielle planète hycéenne K2-18 b et la présence possible de sulfure de diméthyle dans son atmosphère.

Facteurs de confusion dans les données d’observation

“Un autre facteur de confusion qui rend difficile l’étude de Webb sur les petits mondes potentiellement habitables est que hôte étoiles peut également montrer des signes de vapeur d’eau. Cela a été étudié dans observations récentes de Webb sur l’exoplanète rocheuse connue sous le nom de GJ 486 b. Nous avons donc le défi supplémentaire de déterminer si la vapeur d’eau détectée par Webb provient réellement de l’atmosphère d’une planète et non de son étoile.

Conclusion : l’avenir des études sur les exoplanètes

“La détection de biosignatures dans les atmosphères de petites planètes en transit potentiellement habitables en orbite autour d’étoiles froides est une entreprise extrêmement difficile qui nécessite généralement des conditions idéales (par exemple, des atmosphères sans nuages) ou l’hypothèse d’environnements terrestres primitifs (c’est-à-dire différents des environnements modernes). Terre telle que nous la connaissons), détection de signaux nettement inférieurs à 200 ppm, une étoile qui se comporte bien sans vapeur d’eau de tache stellaire significative et un temps de télescope important pour atteindre un rapport signal/bruit suffisant.

“Il est également important de garder à l’esprit que la détection d’une seule biosignature ne constitue en aucun cas la découverte de la vie. La découverte de la vie sur une exoplanète nécessitera probablement un large ensemble de biosignatures détectées sans ambiguïté, des données provenant de plusieurs missions et observatoires, et modélisation atmosphérique approfondie, un processus qui prend probablement des années.

“La puissance de Webb réside dans sa sensibilité qui lui permet de découvrir et de commencer à caractériser les atmosphères d’une poignée de planètes potentiellement habitables les plus prometteuses en orbite autour d’étoiles froides. En particulier, Webb a la capacité de détecter un certain nombre de molécules importantes pour la vie, tels que la vapeur d’eau, le méthane et le dioxyde de carbone. Notre objectif est d’en apprendre le plus possible sur les mondes potentiellement habitables, même si nous ne pouvons pas identifier définitivement les signatures habitables avec Webb.

“Les observations de Webb, combinées aux études d’exoplanètes réalisées par le prochain télescope spatial romain Nancy Grace de la NASA, jetteront à terme les bases de l’avenir. Observatoire des Mondes Habitablesqui sera la première mission de la NASA construite pour imager et rechercher directement les signatures chimiques causées par la vie sur des planètes semblables à la Terre autour d’étoiles semblables au Soleil.

À propos des auteurs:

Knicole Colón est astrophysicienne au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, et est scientifique adjointe du projet du télescope spatial James Webb pour la science des exoplanètes.

Christopher Stark est astrophysicien au laboratoire d’astrophysique des exoplanètes et des étoiles du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, et est scientifique adjoint du projet du télescope spatial James Webb de l’observatoire.

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