Le spectromètre NEID éclaire la voie vers l'exploration d'exoplanètes

Alors que la NASA élargit sa quête pour découvrir des exoplanètes - des planètes au-delà de notre système solaire - elle développe également sa boîte à outils. Au cours de l'été, un nouvel outil appelé NEID (prononcez NOO-id) a fourni son premier lot de données sur l'étoile la plus proche et la mieux étudiée, notre Soleil.

Le spectromètre NEID, qui aidera à localiser et à caractériser de nouveaux mondes, observe le ciel depuis l'observatoire national de Kitt Peak en Arizona. Il a commencé sérieusement sa recherche d'exoplanètes en juin 2021. Cependant, NEID collectera presque autant de données du Soleil pendant la journée que des étoiles la nuit. En effet, le Soleil fournit aux astronomes leur aperçu le plus détaillé des types de changements qui se produisent sur les étoiles hôtes des exoplanètes, changements qui peuvent avoir un impact sur la détection et l'habitabilité de ces mondes extraterrestres.

Une équipe du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, MD, a soutenu la conception, le développement et la mise en service de NEID. L'instrument mesure la vitesse radiale :le déplacement du mouvement d'une étoile causé par le mouvement gravitationnel de ses planètes. Ce mouvement modifie légèrement la lumière de l'étoile. Les vitesses radiales donnent aux astronomes une mesure de la masse d'une planète par rapport à son étoile hôte.

"Ce qui est vraiment essentiel pour ces planètes, c'est de connaître leurs masses", a déclaré Michael McElwain, un scientifique des instruments pour l'équipe de développement du NEID. "Quand on connaît la taille et la masse, cela fournit deux paramètres fondamentaux pour ces exoplanètes."

Actuellement, la technique du transit est le principal moyen par lequel les scientifiques découvrent les exoplanètes et mesurent leurs tailles relatives. Les scientifiques peuvent détecter une exoplanète en recherchant des changements périodiques dans la lumière des étoiles proches, qui se produisent lorsqu'une planète en orbite croise la face de l'étoile de notre point de vue.

Le télescope spatial Kepler et le satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA ont déjà identifié des milliers d'exoplanètes en utilisant la technique du transit. NEID s'appuiera sur les données TESS en mesurant les vitesses radiales des planètes découvertes par TESS.

Ensemble, ces mesures de taille et de masse peuvent être utilisées pour déterminer la densité apparente d'une planète, ce qui donne aux scientifiques un aperçu de la composition globale de la planète. Une planète particulièrement dense, par exemple, pourrait avoir une composition rocheuse. Les scientifiques utiliseront ces informations pour déterminer quelles planètes sont les mieux adaptées à une étude supplémentaire par le télescope spatial James Webb de la NASA.

Le spectromètre fonctionne sur le télescope WIYN de 3,5 mètres à Kitt Peak, et il appartient à une nouvelle classe d'instruments de vitesse radiale qui peuvent atteindre une précision environ trois fois meilleure que jamais auparavant. Le télescope pointera vers une étoile, collectera sa lumière et la transmettra à travers une fibre optique qui la transporte dans le spectrographe, qui est logé dans une salle blanche spécialement construite et isolée thermiquement au rez-de-chaussée de l'observatoire.

"Un spectrographe, à son niveau le plus élémentaire, divise la lumière en ses différentes couleurs, ou ce que nous appelons des longueurs d'onde", a déclaré Sarah Logsdon, scientifique des instruments pour NEID. "C'est vraiment utile pour nous parce que les atomes et les molécules individuels ont une émission ou une absorption différente à des longueurs d'onde très spécifiques. Avec NEID, nous pouvons mesurer à quel point ces raies d'absorption et d'émission se déplacent par rapport à leur position de repos lorsqu'une planète tire sur son étoile. La taille de ce décalage permet aux astronomes de déterminer la masse de la planète par rapport à la masse de son étoile.

Un défi potentiel pour les observations de NEID est que les étoiles elles-mêmes peuvent changer. Le plasma chaud jaillit de leur intérieur, se refroidit et retombe, tandis que toute la surface tremble d'oscillations sismiques. Les champs magnétiques globaux et locaux créent des taches stellaires plus sombres et plus froides et d'autres caractéristiques visibles. Toute cette activité rend difficile la différenciation entre l'activité stellaire et les effets des exoplanètes.

Cependant, le Soleil sert de référence pour mieux comprendre l'activité stellaire. En plus de recevoir la lumière du télescope WIYN, NEID recevra également la lumière d'un télescope solaire monté sur le toit de l'observatoire. Au fil du temps, ces données solaires aideront les scientifiques à identifier des événements similaires dans leurs observations d'étoiles plus éloignées. Après avoir été traitées pour aider les astronomes à étudier la question de l'activité stellaire, toutes les données du télescope solaire sont rendues publiques.

"Le Soleil montre la voie", a déclaré Suvrath Mahadevan, professeur d'astronomie et d'astrophysique à la Penn State University et chercheur principal du NEID. "Pendant des décennies, le télescope McMath Pierce emblématique et désormais hors service de Kitt Peak a été la principale installation d'étude du Soleil. NEID est maintenant le pont qui relie la science des exoplanètes aux observations solaires, le Soleil aux étoiles, et un pont qui relie l'histoire de Kitt Peak à son présent et à son futur. »

L'équipe a annoncé les premières observations lumineuses de NEID en janvier 2020. NEID a observé 51 Pegasi, la première étoile semblable au Soleil trouvée pour héberger une exoplanète. NEID est désormais disponible pour être utilisé par la communauté scientifique via son programme d'observation invité.