La collecte d’informations détaillées sur les planètes à l’extérieur de notre système solaire (exoplanètes) est extrêmement difficile. La lumière de leur étoile éclipse celle de l’exoplanète, ce qui rend difficile leur observation par nos télescopes. Mais récemment, une équipe utilisant une technologie de pointe à l’Observatoire Keck (Hawaï/ États-Unis)a fait un grand bond en avant dans l’observation des exoplanètes et elle a détecté de l’eau dans l’atmosphère d’une planète située à 179 années lumière.

Ce système solaire comporte une étoile appelée HR 8799, et ses planètes : HR 8799 b, c, d et e. Le système se trouve dans la constellation de Pégase.

Image d’entête : représentation artistique du système planétaire HR 8799. (Observatoire W. M. Keck/ Adam Makarenko/ C. Alvarez)

L’étoile elle-même existe depuis 30 millions d’années. C’est remarquable pour plusieurs raisons, y compris pour ses étranges propriétés stellaires et pour une autre raison importante. En 2008, les scientifiques ont annoncé qu’ils avaient observé directement 3 exoplanètes autour de l’étoile HR 8799b, c et d, à l’aide des télescopes Keck et Gemini. Puis, en 2010, ils ont annoncé la découverte d’une quatrième planète, HR 8799 e.

Cette nouvelle annonce s’appuie sur de précédents travaux réalisés en 2008, et les astronomes à l’origine de cette étude qualifient ces travaux de  » tremplin  » vers des images toujours plus précises d’exoplanètes.

Les nouvelles observations concernent HR 8799 c, observées pour la première fois en 2008. C’est une jeune planète géante gazeuse d’environ 7 fois la masse de Jupiter qui orbite autour de son étoile tous les 200 ans. Ces nouvelles observations directes confirment la présence d’eau dans l’atmosphère et l’absence de méthane. Elles résultent d’une puissante combinaison de deux technologies. Tout d’abord l’optique adaptative qui neutralise les effets de flou de l’atmosphère terrestre. La seconde est le spectromètre du télescope Keck 2 appelé Near-Infrared Cryogenic Echelle Spectrograph (NIRSPEC), un spectromètre à haute résolution qui fonctionne en lumière infrarouge.

Le mouvement des exoplanètes du système HR 8799 qui contient la première exoplanète à être imagée directement. (CNRC-HIA/ C. MAROIS/ OBSERVATOIRE W. M. KECK)

Selon Dimitri Mawet, professeur agrégé d’astronomie à la California Institute of Technology (Caltech) et chercheur au Jet Propulsion Laboratory, que Caltech gère pour la NASA et coauteur de l’étude qui a présenté ces résultats :

Ce type de technologie est exactement ce que nous voulons utiliser à l’avenir pour rechercher des signes de vie sur une planète semblable à la Terre. Nous n’en sommes pas encore là, mais nous allons de l’avant.

Jusqu’à présent, les astronomes ont imaginé directement plus d’une douzaine d’exoplanètes. Le système HR 8799 est le premier système multiplanète à avoir fait l’objet d’une acquisition directe d’image. Mais elles ne sont que la première étape de cette étude.

Une fois obtenues, les images peuvent être analysées pour déterminer la composition chimique de leur atmosphère. C’est là qu’intervient la spectroscopie. Dans ce cas, les capacités du NIRSPEC ont été déterminantes. C’est un instrument du télescope Keck 2 qui fonctionne dans la bande L infrarouge. C’est un type de lumière infrarouge avec une longueur d’onde d’environ 3,5 micromètres, et une région du spectre détaillant de nombreuses empreintes chimiques.

Selon M. Mawet :

La bande L a déjà été largement négligée parce que le ciel est plus lumineux à cette longueur d’onde. Si vous étiez un extraterrestre avec les yeux braqués sur la bande L, vous verriez un ciel extrêmement lumineux. C’est dur de voir des exoplanètes à travers ce voile.

En combinant la spectrographie en bande L et l’optique adaptative, ils ont surmonté les difficultés de l’observation d’une planète dont la lumière est presque noyée par son étoile. Ils ont pu effectuer les mesures les plus précises de la planète, confirmant la présence d’eau et l’absence de méthane.

Selon l’auteur principal de l’étude, Ji Wang de l’université d’état de l’Ohio :

En ce moment, avec Keck, nous pouvons déjà en apprendre davantage sur la physique et la dynamique de ces planètes géantes exotiques, qui ne ressemblent en rien aux planètes de notre propre système solaire.

Nous sommes maintenant certains de l’absence de méthane sur cette planète.

C’est peut-être dû au mélange dans l’atmosphère de la planète. Le méthane, que l’on s’attendrait à trouver à la surface, pourrait être dilué si le processus de convection faisait remonter des couches plus profondes de la planète qui n’ont pas de méthane.

L’équipe de Mawet se prépare déjà pour le prochain et le plus récent instrument de l’Observatoire Keck. Le KPIC (Keck Planet Imager and Characterizer). Il utilisera l’optique adaptative et la spectroscopie, mais avec encore plus d’efficacité. Grâce à cet instrument, les astronomes pourront observer des planètes encore plus pâles et plus proches de leur étoile que celles de HR 8799c. Et l’avenir est encore plus prometteur pour l’imagerie des exoplanètes. La technologie de l’optique adaptative et de la spectroscopie qui a permis d’obtenir des images de cette planète sera utilisée sur de futurs télescopes.

Selon M. Mawet :

Le KPIC est un tremplin pour notre futur télescope de trente mètres. Pour l’instant, nous en apprenons beaucoup sur la myriade de façons dont les planètes de notre univers se forment.

Ces nouvelles découvertes ont été publiées dans l’Astronomical Journal : Detecting Water in the Atmosphere of HR 8799 c with L-band High-dispersion Spectroscopy Aided by Adaptive Optics et présentée sur le site de l’observatoire Keck : Researchers are Perfecting Technology to One Day Look for Signs of Alien Life.