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Un peigne laser à la recherche d’exoterres

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La chasse aux exoplanètes se prépare à vivre une révolution avec l'utilisation d'un dispositif de conception relativement récente, mettant en œuvre un peigne laser associé à une cavité de Fabry-Pérot. Explications.

Réseau d’interférences. Crédit : Commons

Aujourd'hui, près de trois cents planètes extrasolaires ont été découvertes, dont les rangs ne cessent de se renforcer. La majorité ont été mises en évidence soit par la méthode du transit, qui consiste à détecter l'affaiblissement de la lumière émise par leur étoile mère lors d'une occultation, soit par effet Doppler-Fizeau, impliquant la mesure précise des mouvements induits par la force de gravitation de l'objet en orbite sur son astre central.

Mais cette seconde méthode, la plus intéressante car elle n'impose pas un alignement parfait avec l'observateur terrestre, atteint ses limites. La disproportion de masse entre une planète et son étoile induit une variation de la vitesse radiale de cette dernière extrêmement faible, de quelques mètres par seconde. Actuellement, la limite atteinte est de l'ordre du mètre par seconde, ce qui correspond grosso modo à la présence d'une planète de type Jupiter chaud autour d'une étoile de masse moyenne.

Des instruments qui ont atteint leurs limites

Mais les astronomes ne se satisfont pas de cette possibilité, pourtant déjà impressionnante, et envisagent la détection de planètes de type terrestre, beaucoup moins massives. Dans ce cas, la variation de vitesse induite sur l'étoile ne serait plus que de l'ordre du centimètre par seconde, soit une valeur bien en deçà de la puissance des instruments de spectrométrie actuels.

Une équipe de chercheurs dirigée par Ronald Walsworth, du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, et le post-doctorant Chih-Hao Li a présenté lors d'une conférence un nouveau dispositif qui devrait permettre de franchir aisément cette limite, et qui fera l'objet d'une publication dans la revue britannique Nature.

Dans la méthode actuelle, la lumière reçue d'une étoile au foyer d'un télescope (spatial ou terrestre) est comparée à une source lumineuse standard, généralement un laser, qui fournit les longueurs d'onde étalon avec une précision connue et dotée d'une très grande stabilité dans le temps. Ces observations peuvent prendre plusieurs mois, ou même des années. Ainsi, la mise en évidence de l'oscillation induite par notre Terre sur le Soleil prendrait une année depuis une planète extrasolaire.

Peigner l’espace à la recherche de planètes

Depuis la fin des années 1980, les astronomes ont envisagé d'utiliser un peigne de fréquence pour fournir de meilleures normes à la spectrographie à haute définition. Ce procédé utilise un laser émettant de très courtes impulsions, suffisamment brèves pour que toutes les longueurs d'ondes ne soient pas émises avec la même intensité, en se calant sur une horloge atomique. La figure représentant l'intensité reçue pour chacune des fréquences montre une série de petites barres verticales et évoque donc un peigne, d'où le nom. L'intérêt d'un tel dispositif est de fournir une excellente référence de fréquences. Son invention a valu à ses auteurs, John Hall et Theodor Hänsch, le prix Nobel de physique 2005.

Interféromètre de Fabry-Pérot. Crédit : Onversity

Mais jusqu'ici, l'application de ce dispositif dans le domaine astronomique se heurtait à deux problèmes : la lumière d'une étoile n'est pas monochromatique et les franges d'interférences trop rapprochées pour être facilement discernables. Pour contourner ce problème, Ronald Walsworth et Chih-Hao Li  ont eu l'idée de combiner un peigne de fréquence avec un interféromètre  Fabry-Pérot. Celui-ci utilise une cavité (voir la figure) constituée d'une série de miroirs plans partiellement réfléchissants (en général de 90 à 95 %) entre lesquels la lumière est piégée et effectue plusieurs allers-retours avant de quitter l'instrument. Si celui-ci est alimenté par la lumière monochromatique provenant d'un laser, le faisceau effectue de multiples allers-retours à l'intérieur de cette cavité, et ressort partiellement à chaque réflexion. Les différents rayons sortants interfèrent entre eux, produisant une figure d'interférence constituée d'anneaux concentriques fins. La taille de ces anneaux varie selon la distance entre les miroirs plans, mais aussi selon la fréquence de l'onde lumineuse entrante.

La technique, relativement simple à mettre en œuvre, multiplierait par 60 la précision de la mesure et pourra être utilisée sur la plupart des spectrographes existants. Sa mise au point demandera cependant encore quelques années avant de devenir opérationnelle. L'équipe travaille actuellement à son adaptation sur le MMT (Multiple Mirror Telescope) du mont Hopkins, en Arizona. En 2010, il devrait être installé sur un spectrographe des îles Canaries et tourné pour la première fois vers le ciel. Qui sait quelles nouvelles découvertes nous attendent ?