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Des exoplanètes en images grâce au GPI du télescope Gemini

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Avec une pose de seulement une minute, l'instrument infrarouge Gemini Planet Imager (GPI) est capable d'imager une exoplanète. Installé sur le télescope Gemini Sud, au Chili, il a nécessité plus de dix ans de développement et vient de voir sa première lumière. Avec lui vont se multiplier les images directes d'exoplanètes et de disques de débris. La preuve avec l'observation de Beta Pictoris b et HR 4796 A.

L'instrument GPI a été utilisé pour observer un disque de poussières en orbite autour de la jeune étoile HR 4796 A. Après un premier traitement de l'image, on voit à gauche à la fois un anneau de poussières et la lumière résiduelle de l'étoile centrale diffusée par la turbulence dans l'atmosphère de la Terre. Après traitement de cette image pour ne retenir que la partie polarisée de la lumière (à droite), la présence de l'anneau est beaucoup plus évidente. On pense qu'il est constitué de débris laissés par les collisions entre comètes et astéroïdes lors de la formation des planètes. Il se pourrait que les bords nets de cet anneau trahissent la présence d'une exoplanète. © Marshall Perrin, Space Telescope Science Institute, DOE, Lawrence Livermore National Laboratory

Le miroir du télescope de 8,1 m de diamètre du télescope Gemini sud, au Chili, n'est pas recouvert d'aluminium, comme c'est le cas des autres grands télescopes dans le monde (si l'on excepte le télescope Gemini nord à Hawaï) mais d'argent. Les photons qu'il collecte finissent par pénétrer dans l'instrument GPI (Gemini Planet Imager) équipant ce télescope.

Avec GPI, qui contient notamment un miroir que déforment 4.000 actionneurs 1.000 fois par seconde avec une précision meilleure qu'un nanomètre, le télescope peut former dans l'infrarouge des images d'exoplanètes un à dix millions de fois moins lumineuses que leurs étoiles hôtes.

En prenant la première photo d'un système exoplanétaire en 2008, les astronomes québécois René Doyon, David Lafrenière et Christian Marois ont accompli un exploit dont l'écho a fait le tour du monde. Des milliers de chercheurs le tentaient depuis plusieurs années. Le projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine, Du Big Bang au Vivant, parle aussi de la découverte des exoplanètes réalisée par ces chercheurs. L’instrument GPI (Gemini Planet Imager) leur permet de porter leurs travaux à de nouvelles hauteurs aujourd'hui. © Radio Canada, YouTube

Véritable Rolls-Royce de l'optique adaptative, le GPI était en développement depuis une décennie, et il a finalement vu sa première lumière (comme disent les astronomes) en novembre 2013. Il devrait imager directement des exoplanètes géantes à des distances comprises entre 5 et 30 unités astronomiques, notamment de jeunes planètes contenant encore beaucoup de chaleur issue de leur formation.

GPI permet aussi d'étudier la composition chimique de leur atmosphère par spectroscopie. Les disques de débris laissés par la naissance des systèmes planétaires sont également au programme, lequel prévoit l'observation de 600 étoiles proches du Soleil dans les années qui viennent.

Cette image prise dans l'infrarouge a nécessité une exposition de seulement 900 secondes. Elle montre l'exoplanète Beta Pictoris b, une géante gazeuse de plusieurs fois la masse de Jupiter et dont l'âge est estimé à environ 10 millions d'années. L'instrument GPI obtient en outre des spectres pour chaque pixel de l'image, permettant aux scientifiques d'étudier la planète dans ses moindres détails. L'étoile brillante Beta Pictoris, le soleil de la planète géante, est cachée grâce à un masque au centre de l'image. Quelques artefacts de lumière diffuse (ou tavelures) sont visibles autour de l'étoile masquée (traitement d'image par Christian Marois, NRC Canada). © Université de Montréal

Images d'exoplanètes en une minute au lieu de plusieurs heures

Les astronomes sont enthousiastes. Ils ont testé leur machine avec l'exoplanète bien connue Beta Pictoris b et le disque de débris déjà observé autour de l'étoile HR 4796 A. Selon Bruce Macintosh, du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie, qui a dirigé l'équipe ayant construit l'instrument, « les premières images captées par GPI sont meilleures d'un facteur dix par rapport aux générations d'instruments précédentes. Mais ce qui est remarquable, c'est qu'en l'espace d'à peine une minute, nous sommes maintenant capables de voir ces planètes, alors qu'auparavant, il nous fallait des heures ».

René Doyon, l'un des membres de l'équipe d'astronomes qui avait obtenu la toute première image d'un système planétaire en 2008, HR 8799, et que l'on retrouve sans surprise dans le programme de développement du GPI, ne cache pas sa satisfaction. « Les premières images de GPI sont tout simplement splendides ! Nous attendions ce moment depuis tellement longtemps. » Son collègue Christian Marois, qui était aussi impliqué avec David Lafrenière dans les observations de HR 8799 au moyen des télescopes Gemini et Keck au sommet du Mauna Kea, à Hawaï, n'est pas en reste. « GPI est une révolution dans le monde instrumental. Nous avons clairement démontré sa capacité à détecter des exoplanètes en un temps record ! »

L'exploration du monde des exoplanètes n'en est encore qu'à ses débuts. D'autres instruments sont en préparation, et si un jour l'équivalent de la défunte mission Darwin voit le jour, on pourra peut-être détecter des biosignatures sur quelques-unes des planètes qu'aura déjà imagées GPI en y révélant déjà, peut-être, des indices de l'existence de continents et d'océans sur une exoterre.

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