Détecter les atmosphères d’exoplanètes habitables avec la mission LIFE
Trouver des signes de vie au-delà du système solaire reste l’un des objectifs les plus ambitieux de toute la science. Depuis trois décennies, les astronomes ont confirmé des milliers d’exoplanètes et appris que les mondes de la taille de la Terre situés dans les zones habitables de leurs étoiles sont statistiquement courants. Mais détecter la vie elle-même, une preuve de l’activité biologique dans une atmosphère extraterrestre, nécessite un instrument bien plus performant que tout ce qui vole aujourd’hui. Un nouveau livre blanc soumis à l’Agence spatiale britannique défend la thèse selon laquelle le Large Interferometer for Exoplanets, ou LIFE, est la mission la mieux placée pour réaliser cette avancée.
Une mission conçue sur mesure pour les biosignatures
LIFE est une mission spatiale proposée sous direction européenne, basée à l’ETH Zurich, qui a gagné un élan international considérable depuis sa création en 2017. Le concept prévoit cinq engins spatiaux volant en formation précise au point de Lagrange L2 Soleil-Terre : quatre télescopes collecteurs munis de miroirs de 2 à 3,5 mètres de diamètre, plus un cinquième engin combineur de faisceaux. Ensemble, ils forment un interféromètre à annulation opérant dans les longueurs d’onde infrarouges moyennes, de 4 à 18 micromètres.
L’interférométrie à annulation fonctionne en combinant la lumière de plusieurs télescopes de sorte que la lumière sur l’axe provenant de l’étoile hôte s’annule par interférence destructive, tandis que la faible lumière hors axe d’une planète en orbite subsiste. C’est le même principe que celui étudié pour des concepts antérieurs comme Darwin en Europe et le Terrestrial Planet Finder-Interferometer de la NASA, mais LIFE bénéficie de deux décennies de progrès dans le vol en formation, l’optique cryogénique et la science des exoplanètes.
Cette technique est essentielle car imager directement une planète tempérée de la taille de la Terre est extraordinairement difficile. Un jumeau terrestre situé à 10 parsecs émet environ 10 millions de fois moins de lumière infrarouge moyenne que son étoile hôte. Annuler cette lumière stellaire pour exposer le signal planétaire nécessite une profondeur d’annulation d’au moins 1/100 000, un objectif exigeant mais atteignable avec la technologie moderne.
L’avantage de l’infrarouge moyen
Pourquoi observer dans l’infrarouge moyen ? La réponse réside dans les molécules qui comptent le plus pour l’habitabilité et la vie. Le dioxyde de carbone, la vapeur d’eau, l’ozone et le méthane possèdent tous des bandes d’absorption fortes et caractéristiques dans la gamme des 4 à 18 micromètres. Ce sont les gaz atmosphériques clés qui indiquent aux chercheurs si une planète possède de l’eau liquide en surface, un climat stable et peut-être même une biosphère.
Le futur Habitable Worlds Observatory (HWO) de la NASA fonctionnera dans les longueurs d’onde visibles et proches infrarouges, et représente à lui seul une avancée impressionnante. Mais le nouveau livre blanc, dirigé par Sarah Rugheimer et cosigné par des chercheurs de l’Imperial College London, de l’Université de Cambridge, du UK Astronomy Technology Centre et de l’ETH Zurich, soutient que LIFE peut détecter un plus large éventail de biosignatures à des concentrations plus faibles que ce que HWO peut accomplir. Cela est particulièrement vrai pour le méthane, dont la caractéristique spectrale la plus forte se situe à 7,7 micromètres dans l’infrarouge moyen.
HWO aura du mal à détecter le méthane à des concentrations de type terrestre car ses caractéristiques dans le proche infrarouge sont beaucoup plus faibles. LIFE, en revanche, a été conçu dès le départ pour capturer cette bande du méthane à 7,7 micromètres, ainsi que la bande de l’ozone à 9,6 micromètres.
Au-delà des biosignatures : le contexte planétaire
L’un des aspects les plus convaincants de la mission LIFE est qu’elle ne s’arrête pas à la détection de molécules. Le régime infrarouge moyen permet également aux chercheurs de mesurer des paramètres planétaires fondamentaux essentiels pour interpréter toute assertion de biosignature. La température de surface, la pression atmosphérique et le rayon planétaire peuvent tous être extraits du spectre d’émission thermique.
Connaître la température de surface d’un monde rocheux est vital. Une planète peut contenir de l’ozone dans son atmosphère, mais si la surface est à des centaines de degrés au-dessus du point d’ébullition de l’eau, cet ozone n’est presque certainement pas d’origine biologique. La capacité de LIFE à contraindre la température et la pression directement donne aux astronomes le contexte nécessaire pour distinguer les véritables biosignatures des faux positifs.
L’ampleur du recensement
Des simulations publiées dans la série d’articles LIFE montrent qu’une mission équipée de quatre ouvertures de 3,5 mètres pourrait détecter jusqu’à 770 exoplanètes, dont 60 à 80 planètes rocheuses situées dans les zones habitables empiriques de leurs étoiles. Même une configuration plus modeste avec des télescopes de la classe des 2 mètres produirait des centaines de détections et des dizaines de candidats en zone habitable.
Synergie avec HWO
LIFE et HWO ne sont pas des rivaux mais plutôt des partenaires. Les deux missions opèrent dans des gammes de longueurs d’onde complémentaires et bénéficieraient énormément d’observations combinées. HWO fournirait des données dans l’ultraviolet, le visible et le proche infrarouge. LIFE apporterait la moitié infrarouge moyen du puzzle : la structure thermique, la température de surface, le dioxyde de carbone, le méthane, la vapeur d’eau et la pression.
La voie à suivre
Le livre blanc plaide spécifiquement en faveur d’une participation britannique à LIFE, soulignant l’expertise approfondie du pays dans la construction d’instruments infrarouges. Le comité supérieur Voyage 2050 de l’ESA a déjà identifié une mission dans l’infrarouge moyen comme une priorité absolue pour son créneau de lancement L5. Avec un lancement prévu dans les années 2040, LIFE pourrait commencer à renvoyer des données juste au moment où HWO entrera en service.
Traduit par Lydie