Spectromètre NEID : accélérer la recherche d'exoplanètes

Alors que la NASA étend sa quête pour découvrir des exoplanètes — planètes au-delà de notre système solaire — elle enrichit également sa boîte à outils. Cet été, un nouvel outil appelé NEID (prononcé NOO-id) a livré 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 caractériser de nouveaux mondes, observe le ciel depuis l'Observatoire national de Kitt Peak en Arizona. Il a commencé sa recherche d'exoplanètes en juin 2021. Cependant, NEID collectera presque autant de données du Soleil pendant la journée que des étoiles la nuit. C'est parce que le Soleil offre aux astronomes leur regard le plus détaillé sur les types de changements qui se produisent sur les étoiles hôtes d'exoplanètes, changements qui peuvent impacter la détection et l'habitabilité de ces mondes extraterrestres.

Une équipe au Centre de vol spatial Goddard 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 décalage dans le mouvement d'une étoile causé par l'attraction gravitationnelle de ses planètes. Ce mouvement altère 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 critique pour ces planètes, c'est de connaître leurs masses », a déclaré Michael McElwain, scientifique d'instrument pour l'équipe de développement de NEID. « Quand on connaît la taille et la masse, cela fournit deux paramètres fondamentaux pour ces exoplanètes. »

Actuellement, la technique de transit est la principale façon dont les scientifiques découvrent les exoplanètes et mesurent leurs tailles relatives. Les scientifiques peuvent détecter une exoplanète en chassant les changements périodiques dans la lumière des étoiles proches, qui se produisent lorsqu'une planète en orbite traverse la face de l'étoile depuis notre point de vue.

Le télescope spatial Kepler de la NASA et le satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ont déjà identifié des milliers d'exoplanètes en utilisant la technique de transit. NEID s'appuiera sur les données de 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 globale 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 cette information pour déterminer quelles planètes sont les mieux adaptées pour 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, collectant sa lumière et l'acheminant par une fibre optique qui la transporte dans le spectrographe, logé dans une salle blanche spécialement construite, thermiquement isolée, au rez-de-chaussée de l'observatoire.

« Un spectrographe, à son niveau le plus basique, divise la lumière en ses différentes couleurs, ou ce que nous appelons longueurs d'onde », a déclaré Sarah Logsdon, scientifique d'instrument pour NEID. « C'est vraiment utile pour nous car les atomes et molécules individuels ont des émissions ou absorptions différentes à des longueurs d'onde très spécifiques. Avec NEID, nous pouvons mesurer à quel point ces raies d'absorption et d'émission se décalent par rapport à leur position de repos alors qu'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. De bulles de plasma chaud remontent de leurs intérieurs, refroidissent et retombent, tandis que toute la surface frémit d'oscillations sismiques. Des 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 prendre 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 lointaines. Après avoir été traitées pour aider les astronomes étudiant le problème 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 l'Université Penn State et investigateur principal de NEID. « Pendant des décennies, le télescope McMath Pierce, emblématique et maintenant déclassé, à Kitt Peak était l'installation de premier plan pour étudier le 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 son futur. »

L'équipe a annoncé les premières observations de NEID en janvier 2020. NEID a observé 51 Pegasi, la première étoile de type solaire trouvée pour héberger une exoplanète. NEID est maintenant disponible pour l'utilisation par la communauté scientifique via son programme d'observation invité.