Les observations d'Ariel devraient permettent de déduire la composition chimique, la température et la pression dans l’atmosphère de la planète observée. © Ariel Science team

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Ariel, une mission pour étudier l'atmosphère des exoplanètes

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Après Plato qui, pendant six ans à partir de 2024, recherchera des planètes comme cela n'a jamais été fait auparavant, la communauté des chercheurs d'exoplanètes peut avoir le sourire. L'Agence spatiale européenne vient de sélectionner une nouvelle mission spatiale d'étude des exposantes. Ce sera Ariel qui s'intéressera aux atmosphères d'un millier d'exoplanètes à la fin de la décennie 2020.

La mission Ariel vient d'être sélectionnée parmi trois candidats pour la prochaine mission spatiale de l'Agence spatiale européenne avec un lancement prévu en 2028. Un choix qui montre que le domaine de l'exobiologie est en train d'évoluer d'une phase de détection de nouvelles exoplanètes à une phase de caractérisation des exoplanètes connues, notamment de leur atmosphère.

Ariel sera équipé d'un télescope spatial, d'un bouclier thermique et d'un spectrographe optimisé pour sonder les atmosphères de planètes. Bien que cet unique instrument sera innovant et inédit, il prend ses racines dans les missions précédentes développées par le Cnes ou l'Agence spatiale européenne.

Le choix du constructeur du satellite n'a pas encore été fait, tout comme celui des détecteurs du spectrographe qui sera réalisé par l'Institut d'astrophysique de Paris. Sont à l'étude deux solutions. Une avec des détecteurs américains produits par Teledyne, l'autre avec des détecteurs développés par la société française Sofradir. Cette solution impliquerait des développements techniques, ce qui est faisable compte tenu du calendrier, avec un lancement en 2028.

Ariel sera en orbite autour du point de Lagrange L2, à 1,5 million de kilomètres de la Terre. Ce point d’équilibre dans les champs de gravité engendrés par le Soleil et la Terre est régulièrement utilisé pour y installer des observatoires, qui peuvent ainsi observer dans une direction simultanément opposée au Soleil et à la Terre (Planck et le futur JWST). À noter que les échelles ne sont pas respectées dans cette figure. © ESA, STFC RAL Space, UCL, Europlanet-Science Office

Déjà 500 exoplanètes cibles pour Ariel

Ariel abordera des questions fondamentales sur la formation des exoplanètes et comment les systèmes planétaires se forment et évoluent en examinant les atmosphères de centaines de planètes en orbite autour de différents types d'étoiles. Ces observations permettront d'évaluer la diversité des propriétés des planètes individuelles et des populations. Les observations de ces mondes donneront un aperçu des premiers stades de la formation planétaire et atmosphérique et de leur évolution ultérieure, contribuant ainsi à mettre en contexte notre propre Système solaire. 

La caractérisation de l'atmosphère d'exoplanètes détectées en transit ou en imagerie directe est une discipline émergente. Depuis 2007, les astronomes ont observé les atmosphères de seulement une vingtaine de planètes avec des instruments variés. Mais, en raison « d'une mesure très difficile, les résultats sont assez fragmentaires », précise Jean-Philippe Beaulieu, astronome à l'Institut d’astrophysique de Paris et co-Principal Investigator d'Ariel. Cette mission a comme objectifs primaires d'observer les atmosphères de 1.000 planètes, de « manière systématique, pour les comprendre dans leur diversité ». Avec à la clé des informations pour « comprendre l'évolution, la physique et la chimie de ces autres mondes. C'est une étape indispensable avant de s'intéresser à des planètes tempérées ou froides ». Les objectifs secondaires sont, par exemple, l'étude des « atmosphères des naines brunes, qui sont des objets intermédiaires entre les plantes géantes et les étoiles ». On peut aussi faire appel à la créativité des astronomes pour penser à des utilisations variées de ce télescope spatial. En fin de mission, on pourra aller « chercher des objets de magnitude plus faible, ou dans des configurations plus difficiles ».

« Sur les 3.755 exoplanètes connues, nous en avons déjà recensé de l'ordre de 500 qui seraient des excellentes cibles pour la mission. » Des satellites comme le Tess de la Nasa (surveillance de tout le ciel), ou des projets de grand relevé au sol comme Spirou ou NGTS vont « permettre de continuer à découvrir des planètes en orbite autour des étoiles proches, qui pourront fournir des cibles pour Ariel ». D'ici 2026, nous n'aurons aucun problème à avoir un échantillon très varié dont une majorité d'exoplanètes qui n'ont pas d'équivalent dans notre Système solaire tels que les Jupiters chauds, les inflated jupiters, les super-Terres et des exoplanètes situées à des centaines d'unités astronomiques de leur étoile. Notez que dans des conditions favorables, Ariel « devrait être capable d'observer des planètes telluriques, c'est-à-dire avec une surface solide, avec une atmosphère étendue dans les conditions favorables ».

La caractérisation des atmosphères avec Ariel apportera de nombreuses informations sur « leur composition chimique, un inventaire des molécules présentes, leur abondance ainsi que le profil de température et de pression de l'atmosphère ». Il sera « possible de savoir si cette atmosphère est dominée par l'hydrogène et l'hélium ou s'il s'agit d'une planète océan, avec une énorme abondance d'eau ». Enfin, dans certains cas, Ariel pourrait « étudier la dynamique de l'atmosphère, voir s'il y a un point chaud et mesurer des vents par exemple ».

Les ambitions de l'ESA freinée par son budget

Selon Jean Schneider, astronome de l'Observatoire de Paris et un des spécialistes français de la recherche sur les exoplanètes, Ariel « fournira des données sur l'atmosphère de planètes pendant leurs transits et aussi sur la dynamique de l'atmosphère hors transit pour des Jupiters chauds ». Cependant, la méthode des transits permet de « détecter les planètes seulement pendant une toute petite fraction de son orbite ». Or, une durée d'observation aussi courte ne permettra pas de « détecter de façon convaincante des biosignatures dans des planètes habitables que pourrait observer Ariel », ce qui est la question la « plus brûlante en exoplanétologie ».

Ariel sera lancé 10 ans après l'observatoire spatial James-Webb (JWST) qui aura eu d'ici 2028-2030 « le temps de faire à peu près la même chose qu'Ariel sur les planètes les plus intéressantes ». Alors, certes le JWST observera seulement une trentaine de planètes extrasolaires, contre un bon millier pour Ariel, mais tout de même, « de ce point de vue, Ariel ne peut rien apporter de révolutionnaire, c'est un peu de la routine qui aidera un peu, ou pas, l'exobiologie ».

Le problème est que « le budget de l'Agence spatiale européenne permet de réaliser une mission de classe M tous les quatre ans environ ». Or, les missions de cette classe ont un budget plafonné à 470 millions d'euros, ce qui n'est « évidemment pas suffisant pour détecter de façon convaincante des biosignatures ». Pour cela, il « faudrait une mission de classe L au budget de 900 millions d'euros ».

Compte tenu de ses ressources financières, l'ESA peut financer une mission de classe L seulement tous les huit ans environ. Et le calendrier des missions L est déjà plein jusqu'en 2040 avec Juice, un radar inédit pour étudier les lunes de Jupiter (2022), Athena, un observatoire spatial conçu pour étudier l'univers chaud et énergétique dans le X (2028) et enfin eLisa (détections des ondes gravitationnelles) qui attend que l'ESA la sélectionne, serait lancée en 2034.

Dans un contexte budgétaire difficile, « l'ESA aurait pu se passer d'une ou deux missions M et reverser le budget à une autre mission de classe L, le temps que les progrès technologiques permettent de minimiser les risques [de panne, NDLR] et d'avoir les performances suffisantes ». Mais ce n'est pas aussi simple. La politique du retour industriel et du soutien aux industriels du secteur spatial européen « qui ont besoin d'être subventionnés régulièrement », ce que font les missions de classe M, contraignent l'ESA à « des choix qui ne sont certainement pas les plus pragmatiques ». Cela dit, ce soutien aux industriels permet de garder le savoir-faire des ingénieurs et des techniciens en réalisant des missions spatiales régulièrement, ce que ne permettrait pas de faire si seule une mission était commandée chaque décennie.

L'ESA « aurait-elle alors eu un autre choix pour sa quatrième mission de classe M », s'interroge Jean Schneider. Assurément oui pour ce chasseur d’exoplanètes. Et de rappeler qu'avant la dernière présélection, « il y avait un autre candidat plus intéressant qu'Ariel pour l'exobiologie : Theia ». Cette mission d’astrométrie, environ 100 fois plus précise que Gaia, et qui, en plus d'un programme cosmologique (matière et énergie noire, physique des objets compacts...), aurait permis, moyennant un décalage dans le temps pour consolider la technologie, de « découvrir toutes les planètes habitables, et connaître leur orbite, jusqu'à quelques dizaines de parsecs ». Cette cartographie inédite des exoplanètes aurait été une étape importante pour la suite des programmes de recherche dans le domaine de l'exobiologie et de l'exoplanétologie, que ne parviendront pas à franchir tous les grandes missions de relevé du ciel au sol, comme dans l'espace.

Mais restons optimiste. Bien que la mission Theia ait été éliminée, elle n'a pas été définitivement abandonnée. Elle concourt pour devenir la cinquième mission de classe M avec un lancement à l'horizon 2031. À suivre donc.

  • Avec Ariel, les atmosphères d'un millier d'exoplanètes seront étudiées en détail.
  • Une grande variété de planètes cibles, depuis les géantes gazeuses jusqu’aux planètes rocheuses, qu’elles soient chaudes ou tempérées, autour d’étoiles de différents types.
  • Bien qu'Ariel détectera les molécules présentes dans ces atmosphères, le satellite ne pourra pas détecter des biosignatures.
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