Le télescope James Webb va révolutionner notre compréhension des exoplanètes

Derrière la vitre, isolé dans une salle blanche, le télescope spatial James Webb ressemble à une pièce de musée, un objet destiné à la conservation et la contemplation. Pourtant, son voyage ne fait que commencer. Une armée de techniciens prépare le télescope pour une odyssée de plusieurs millions de kilomètres à travers l'espace, où les yeux à facette de l'observatoire seront braqués sur le passé, vers les origines des planètes, des étoiles et des galaxies.

Pour l'heure, cet œil est fermé, le télescope replié tel un coquillage. Avec ses reflets scintillants de lavande, d'or et d'argent, l'instrument à 10 milliards de dollars est trop imposant pour tenir déplié dans l'un des plus grands lanceurs du monde, la fusée Ariane 5 développée par l'Agence spatiale européenne.

La NASA prend en charge la majorité des coûts liés à la mission, mais l'Agence spatiale européenne est responsable de son lancement, après avoir participé à la conception de deux des quatre instruments scientifiques embarqués par le télescope. C'est pourquoi le lancement du James Webb Space Telescope (JWST) est prévu à partir du 24 décembre depuis la base de lancement tropicale de l'ESA en Guyane française, dernier port d'attache du télescope avant son aller simple pour l'intouchable.

C'est à la lisière nord-est de la forêt amazonienne que s'étend cet immense centre spatial. L'isolement est tel qu'il n'est pas inhabituel d'apercevoir des jaguars traversant des routes désertes dans certaines zones de la base. À l'intérieur du bâtiment colossal où sont assemblées les fusées, la mélodie enivrante des oiseaux tropicaux masque souvent le vacarme produit par la préparation des machines de l'humanité à leur voyage dans les étoiles.

Dans le cas du JWST, le paysage luxuriant qui entoure le complexe renvoie à la mission première du télescope : aider les scientifiques à comprendre comment nous sommes arrivés là. Dans ce méli-mélo de molécules, d'étoiles, de galaxies, de trous noirs et de planètes peuplant l'univers, comment les ingrédients nécessaires à l'émergence de la vie ont-ils pu se rassembler pour créer cet endroit que nous appelons la Terre ? Les conditions favorables à cette fourmillante biosphère sont-elles fréquentes parmi les millions, voire les milliards de planètes rocheuses qui peuplent la galaxie ?

Dans sa quête de réponses, le JWST analysera des centaines, peut-être même des milliers d'exoplanètes avant la fin de sa mission. Il posera les yeux sur des mondes de lave à la surface liquéfiée où une année ne dure que quelques heures. Il étudiera des planètes qui ont miraculeusement survécu à la mort de leur étoile et orbitent désormais autour d'astres sans vie. Il sondera les atmosphères de géantes gazeuses, scrutera les disques de poussière accrochés à de jeunes étoiles à la recherche de mondes naissants et interrogera une poignée de petites planètes rocheuses présentant des similitudes avec la Terre.

Sur les milliers d'exoplanètes identifiées dans notre galaxie, seule une poignée ressemble aux planètes de notre système solaire. Les autres ne sont que mystère.

« La diversité des planètes au sein de la galaxie est nettement supérieure à celle de notre seul système solaire, voilà la plus grande découverte de ces dernières années dans le domaine des exoplanètes, » déclare Natasha Batalha de l'Ames Research Center de la NASA. « Nous souhaitons comprendre les processus qui ont conduit la Terre à développer un environnement habitable. Est-ce parce que nous avons des océans d'eau liquide et de l'oxygène ? Ces conditions sont-elles uniques ou courantes dans la galaxie ? »

Avant toute chose, le JWST doit survivre à son lancement explosif dans l'espace et à une série d'événements riches en suspense qui n'en finit plus de tourmenter les astronomes du monde entier.

« Je suis un peu nerveux, » lâche Peter Jensen de l'ESA, principal consultant sur la mission et ancien chef de projet, le regard absorbé par l'étincelant coquillage trônant de l'autre côté de la vitre. Après le lancement, le télescope devra exécuter une longue séquence de manœuvres critiques qui ne laissent aucune place à l'erreur, notamment le déploiement de son miroir doré et d'un vaste pare-soleil indispensable. « Je suis très confiant pour le lancement, » assure Jensen. « Mais je suis ingénieur mécanique de formation et cette partie déploiement me laisse perplexe. »

DIVERSITÉ EN VOIE LACTÉE

À l'instar des plus grands projets scientifiques de l'humanité, le JWST s'est heurté à une foule de retards techniques et autres dépassements budgétaires sur le chemin du pas de tir. Plus récemment, la controverse est venue du nom donné au télescope. Néanmoins, si tout se déroule comme prévu, c'est une véritable corne d'abondance de délices scientifiques que devrait nous offrir ce fleuron de l'astronomie, digne successeur du télescope spatial Hubble.

Le JWST observera l'univers en lumière infrarouge, principalement. Une fois ses yeux dorés déployés, l'extrême sensibilité de l'observatoire permettra au télescope d'identifier les empreintes laissées il y a bien longtemps par les premières étoiles et galaxies de l'univers.

Cette sensibilité lui permettra également d'observer directement les mondes extraterrestres, même si personne n'avait anticipé cette utilisation du télescope lors de sa conception. Et pour cause, lors de son développement en 1989, les planètes orbitant d'autres étoiles n'avaient pas encore été découvertes. Des théories suggéraient leur existence, mais aucune exoplanète n'a été identifiée avant 1992.

« Au départ, à la naissance de l'observatoire, je pense qu'on ne parlait même pas d'exoplanètes, » témoigne Jensen. « Elles sont arrivées plus tard, avec la découverte concrète des premières exoplanètes. »

Récemment, grâce à des chasseurs d'exoplanètes tels que le télescope spatial Kepler de la NASA, nous avons découvert que les planètes orbitant d'autres étoiles de la Voie lactée étaient aussi nombreuses que les grains de sable sur Terre. Cette abondance offre aux équipes du JWST une opportunité remarquable, celle d'étudier en détail certains des mondes les plus intrigants.

En bloquant la lumière émise par les étoiles parentes grâce à un instrument appelé coronographe, le JWST est capable d'observer directement les planètes en orbite autour de ces étoiles sans souci de distance ou de luminosité, et ce, même pour des planètes en formation. Le télescope peut sonder les atmosphères de planètes lointaines, déterminer leur composition et étudier leur évolution. Il est également capable de lire la lumière du côté jour des planètes pour identifier les signatures moléculaires.

« Comment ces planètes en sont-elles arrivées là aujourd'hui ? Comment ont-elles évolué ? Quel scénario pourrait mener à des biosignatures, à la vie ? » interroge Knicole Colón de la NASA, scientifique de projet adjointe pour la mission exoplanètes du JWST. « Nous devons tout étudier pour répondre à ces questions, » poursuit-elle. « Regardez notre système solaire, il y a beaucoup de planètes, mais de la vie sur une seule. »

SECRÈTE ATMOSPHÈRE 

Six mois après son entrée fracassante dans l'espace, le JWST commencera à s'abreuver de lumière et à étudier les mondes éloignés. À mesure que les planètes défileront entre leur étoile et le télescope, la silhouette de leur atmosphère se dessinera brièvement, éclairée par une lumière traversante, et c'est dans cette lumière que le télescope lira les signatures des gaz traversés.

Parmi les premières cibles du télescope figurent divers systèmes insolites et autres curiosités planétaires, notamment WD 1856b, une planète géante en orbite autour d'une défunte étoile, et HD 80606b, dont l'orbite s'apparente plutôt à celle d'une comète, longue et asymétrique, qu'à celui d'une planète, d'ordinaire plus circulaire.

Ces systèmes extrêmes pourraient dissimuler des indices sur la formation des différents types de planètes et leur évolution, explique Colón. En analysant les gaz massés autour d'une multitude de mondes, le JWST aidera les scientifiques à comprendre l'influence de la taille, la température et l'évolution d'une planète sur son climat et d'autres caractéristiques. « Quelle différence y a-t-il entre toutes ces atmosphères ? Entre les planètes de taille terrestre et celles de la taille de Jupiter ? » demande Colón.

Les premières observations du télescope cibleront principalement les Jupiter chauds, une classe de planètes absente de notre système solaire. Ces titans de l'univers ne mettent que quelques heures, voire quelques jours, à faire le tour de leur étoile et figurent parmi les types de planètes les plus fréquemment découverts par les astronomes.

Au cours de la mission, trois Jupiter chauds seront observés par l'équipe de Natalie Batalha, professeure à l'université de Californie à Santa Cruz et responsable de l'un des premiers programmes d'observation d'exoplanètes du JWST. L'étude portera sur WASP-39b, WASP-18b et NGTS-10b. Les chercheurs auront à leur disposition les quatre instruments embarqués par le télescope et analyseront le rapport carbone/oxygène dans l'atmosphère des planètes, utile pour déterminer la région de formation des planètes. L'équipe procédera également à une comparaison entre les observations de James Webb et celles faites par Hubble.

« Nous voulions une base de référence à laquelle comparer les données, » explique Batalha. « Nous allons revoir ce que le télescope Hubble nous a appris, mais il y aura également des surprises et des choses totalement nouvelles. »

Parmi les grandes absentes de notre système solaire, on compte également la super-Terre, ou la mini-Neptune, des planètes plus grandes que la Terre et plus petites que Neptune, comme Gliese 486b, GJ 1132b et K2-18b.

« Ces planètes étaient tout simplement hors de portée pour Hubble et c'est une classe très importante. Elles comptent parmi les types de planètes les plus répandus à notre connaissance, mais nous ne savons pas comment elles se forment, »explique Laura Kreidberg de l'Institut Max Planck d'astronomie. « Leur nature prête encore à débat : ce sont des super-Terres ? Ou des mini-Neptune ? Ou autre chose ? »

Déterminer si ces planètes possèdent une atmosphère et, le cas échéant, la composition de ces atmosphères est une étape cruciale pour savoir si ces mondes sont habitables. Natasha Batalha, la fille de Natalie, codirige l'un des premiers programmes majeurs d'observation des exoplanètes de la mission, au cours duquel seront examinées plus d'une dizaine de ces planètes de taille intermédiaire.

L'habitabilité de telles planètes dépend de leur région de formation et de leur évolution. Certaines ne sont peut-être que le noyau dépouillé d'anciennes Neptunes, suggère Natalie Batalha, ce qui réduirait les chances d'habitabilité. D'autres se situent à la frontière entre grandes telluriques et petites gazeuses, une transition que les scientifiques peinent encore à comprendre.

Le télescope s'intéressera également à des planètes telluriques chaudes nichées auprès de leur étoile, plus proches du charbon grillé que du beignet doré. Sur de telles planètes, comme 55 Cancri e et K2-141b, la roche et les minéraux formeraient des nuages et la lave remplacerait la pluie, donnant naissance à un paysage qui dépasse notre imagination. Kreidberg souhaite étudier la planète de lave LHS 3844b pour en savoir plus sur la composition de sa surface et la présence d'une éventuelle atmosphère, aussi petite soit-elle.

« Je pense que le JWST va se démarquer avec les planètes telluriques, » indique Kreidberg. « Pas tellement sur les biosignatures, mais sur ces questions fondamentales. Dans quelles conditions une atmosphère peut-elle survivre ? À quel point une planète peut-elle chauffer avant de voir son atmosphère disparaître ? S'il y a une atmosphère, sur quels éléments repose sa formation ? »

Le JWST rendra également visite à chacune des sept planètes telluriques de taille terrestre du système TRAPPIST-1. Ces planètes orbitent une petite étoile voisine de la taille de Jupiter et trois d'entre elles sont tempérées. L'une des premières cibles, TRAPPIST-1e, est peut-être notre meilleure chance de détecter des conditions semblables à la Terre. Quant à TRAPPIST-1c, également parmi les premières visitées, elle se situe plus près de son étoile et présente probablement des températures avoisinant celles de Vénus.

« L'objectif de ce programme est très simple, » indique Kreidberg, responsable du programme d'observation de TRAPPIST-1c. « Il s'agit de déterminer si la planète possède ou non une atmosphère. Pour le moment, on ne sait pas du tout. »

PLANÈTOSCOPE

Le télescope ne va pas uniquement s'intéresser aux planètes en transit devant leur étoile parente. L'orbite de certaines planètes les emmène des centaines de fois plus loin de leur étoile que la Terre du Soleil, formant des systèmes que nous pouvons observer en plongée (ou contre-plongée).

Une partie des premières observations capturera directement les planètes de ces types de systèmes en occultant la lumière de l'étoile parente, même si les planètes n'apparaîtront que sous la forme de petits points de lumière dans les images. La plupart de ces observations cibleront les planètes de grande taille, c'est-à-dire les géantes gazeuses ou géantes de glace, très éloignées de leur étoile et donc plus facilement repérables après suppression de la lumière émise par l'étoile. Les scientifiques pourront ainsi en savoir plus sur la structure de leur atmosphère, le type et la quantité d'éventuels nuages, ainsi que la quantité relative de molécules comme le méthane et le dioxyde de carbone qui peut indiquer le lieu de naissance d'une planète.

« La formation d'une planète est un processus incroyablement chaotique. Ce n'est que poussière et débris, partout » résume Sasha Hinkley de l'université d'Exeter, responsable de l'un des premiers programmes d'imagerie directe. Lorsque les astronomes utiliseront le JWST pour mesurer la composition d'une planète, ils devront faire le tri entre les éléments intrinsèques de la planète et ceux accumulés au cours de son évolution. « L'inné et l'acquis, » poursuit Hinkley. « Voilà ce que nous essayons de distinguer. »

L'imagerie directe permettra également aux scientifiques de chasser les planètes associées à des étoiles comme Alpha Centauri A, l'une des plus proches du Soleil. Depuis des années, les chercheurs se demandent si des mondes gravitent autour de cette étoile. Les premières preuves attestant de l'existence d'une telle planète attendent confirmation. Le JWST braquera également son projecteur sur d'autres systèmes, notamment HR 8799, où l'on compte au moins quatre grandes planètes en orbite autour de leur étoile hôte ; Beta Pictoris qui abrite au moins deux grandes planètes ; et 51 Eridani, où se trouve la plus froide et la plus légère des planètes découvertes par imagerie directe à ce jour.

ET LA VIE ?

Même s'il s'apprête à révolutionner notre compréhension des planètes peuplant la galaxie, il est peu probable que le télescope James Webb détecte des signes de vie, à moins d'un miracle. Ce type d'analyse est à la limite des capacités du télescope et il lui faudrait une fenêtre d'observation surdimensionnée.

« Trouver de la vie s'annonce difficile et je ne suis pas convaincu que nous détecterons des biosignatures, mais nous allons sûrement faire des découvertes sur les atmosphères de ces planètes en orbite autour de petites étoiles, » déclare Kevin Stevenson, astronome pour l'Applied Physics Laboratory de l'université Johns-Hopkins, qui observera cinq planètes telluriques avec le JWST.

La détection de biosignatures extraterrestres lointaines passe par la recherche de combinaisons gazeuses ou chimiques qui ne pourraient pas être le fruit des processus géologiques seuls. D'après les astrobiologistes, ces recherches pourraient porter sur le méthane, l'ozone et autres sous-produits métaboliques, mais qui sait à quoi ressembleraient les signatures d'une vie extraterrestre ?

Parmi les premières cibles du télescope figurent différentes planètes telluriques de taille terrestre, mais elles gravitent autour de petites étoiles rouges, sujettes à de violentes explosions de radiation capables de stériliser leurs surfaces. Quant à savoir si ces mondes possèdent une atmosphère, c'est l'une des premières missions du JWST.

« Il y a encore tant à apprendre, notamment sur la possibilité pour une planète orbitant une étoile si petite de posséder une atmosphère, » explique Natasha Batalha. « Oublions les biosignatures, demandons-nous s'il est possible d'entretenir une atmosphère ! »

Une chose est sûre en revanche, le JWST peut préparer le terrain pour les futures tentatives de détection des biosphères.

« Chacune des exoplanètes découvertes à ce jour était spéciale, unique, et il semble que nous n'arrivons pas à comprendre la population dans son ensemble, » indique Stevenson. « Je pense que Webb nous donnera cette vue d'ensemble, il ouvrira la porte pour nous permettre de cerner ces planètes. »

Enfin, le télescope devrait permettre aux scientifiques de déterminer si l'étude des atmosphères en silhouette, via le transit des planètes, est une technique utile pour détecter des signes de vie.

« Peut-être qu'il sera impossible d'extraire les signaux que nous recherchons, » imagine Stevenson. « Il y a peut-être une limite fondamentale à ce qu’il est possible d'apprendre des planètes potentiellement habitables grâce à la technique du transit. Et ça ne pose pas de problème, car une fois cette limite cernée, on pourra passer à d'autres techniques. »

Alors que le JWST n'a pas encore quitté le sol, les scientifiques préparent déjà son héritier : un télescope spatial conçu pour détecter les biosignatures sur des planètes semblables à la Terre. Il faudra plusieurs décennies avant d'assister au lancement d'un tel instrument, ce qui rend d'autant plus importantes les observations exoplanétaires du JSWT en attendant.

« Ce qui intéresse le grand public, c'est la recherche de vie extraterrestre, mais tout cela est nécessaire pour comprendre où nous avons le plus de chances de la trouver, » explique Natalie Batalha. « Nous devons saisir les processus physiques à l'origine de la diversité pour comprendre où se situent les environnements habitables. »

Ce condensé d'espoir scientifique va encore passer quelques jours au sommet d'une fusée, dominant de toute sa hauteur une vaste forêt tropicale bordée par une mer couleur café. Peut-être un jour apprendrons-nous que des jungles impénétrables recouvrent d’autres planètes, que des insectes extraterrestres peuplent d’autres atmosphères, qu'un autre monde a vu la vie émerger de ses rivières.

La première étape est de faire connaissance avec notre voisinage exoplanétaire et nous pouvons compter sur le télescope James Webb pour en apprécier tous les détails.