Vue d'artiste du satellite Ariel, dont l'équipe industrielle qui le réalisera n'a pas encore été choisie. On voit le bouclier thermique du satellite le protégeant du Soleil. © ESA, Ariel Science Team
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« Ariel sera la pierre de Rosette qui permettra de déchiffrer les atmosphères des exoplanètes »

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L'Agence spatiale européenne vient de sélectionner Ariel comme troisième mission dédiée à l'observation des exoplanètes. Elle se concentrera sur la recherche de leur composition chimique et la mesure de leur structure thermique en relation avec leur environnement. Son lancement est prévu pour 2029. Jean-Philippe Beaulieu, directeur de recherche à l'Institut d'astrophysique de Paris et co-principal investigateur d'Ariel nous livre des explications.

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Depuis l'annonce en octobre 1995 de la découverte de 51 Pegasi b, la première planète située hors du Système solaire par Michel Mayor et Didier Queloz, la quête de nouvelles exoplanètes n'a jamais cessé. Aujourd'hui, on en compte 4.374 !

Après Cheops, un satellite qui a pour principal objectif d'observer seulement des étoiles de notre voisinage autour desquelles des planètes ont été détectées de façon à comprendre la diversité des exoplanètes, l'Agence spatiale européenne (ESA) a confirmé la mission Ariel qui a aussi pour but d'étudier des planètes connues. Notez que l'ESA développe également la mission Plato qui recherchera des planètes comme cela n'a jamais été fait auparavant, avec une capacité à détecter des planètes habitables autour d'étoiles solaires beaucoup plus proches de nous que celles déjà découvertes par la mission Kepler de la Nasa.

Comme nous l'explique Jean-Philippe Beaulieu, directeur de recherche à l'Institut d’astrophysique de Paris et co-principal investigateur d'Ariel, la mission Ariel aborde l'un des thèmes clés du programme Vision cosmique de l'ESA. À savoir, quelles « sont les conditions de la formation des planètes et de l'émergence de la vie ? » Pour cela, cet observatoire spatial étudiera de quoi sont faites les exoplanètes, comment elles se sont formées et comment elles évoluent, en surveillant un « échantillon diversifié d'environ 1.000 atmosphères planétaires, simultanément dans les longueurs d'onde visibles et infrarouges ».

Il existe une diversité extraordinaire de planètes dans la plage de 2 à 10 masses terrestres

Cet échantillon sera constitué de façon à représenter la diversité de ces nouveaux mondes, dont une « majorité d'exoplanètes qui n'ont pas d'équivalent dans notre Système solaire tels que les Jupiters chauds, les super-Terres, et des mini-Neptunes. Il existe une diversité extraordinaire de planètes dans la plage de 2 à 10 masses terrestres ». Ariel se concentrera sur les planètes « chaudes » (températures supérieures à 400 kelvins, 120 °C) qui « ont une atmosphère dynamique et bien mélangée ». Ces planètes cibles seront de tailles variables, « entre des géantes gazeuses aux super-Terres, en passant par les mystérieuses sub-Neptunes, orbitant des étoiles de différents types ». En observant 1.000 planètes, « notre compréhension de la diversité des autres mondes devrait faire un bond en avant ». 

Pour Jean-Philippe Beaulieu, « Ariel sera la pierre de Rosette qui nous permettra de déchiffrer les atmosphères des planètes en orbite d'autres étoiles ». Au-delà d'Ariel, l'étape suivante sera une « étude systématique des planètes tempérées ou froides et/ou habitables avec une mission dédiée à l'horizon 2040 ». Il existe différents projets à l'étude aux États-Unis avec la participation éventuelle de l'Europe.

La mission Ariel sera lancée en 2029 et sera installée au point de Lagrange L2 du système Terre-Soleil, à 1,5 million de kilomètres de notre Planète. © ESA, STFC RAL Space, UCL, Europlanet-Science Office

Comprendre l'évolution, la physique et la chimie de ces autres mondes

La mission se focalisera sur ces planètes en « sondant leur atmosphère lors de transits ou d'éclipses, pour les comprendre dans leur diversité ».  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 ». Avec Ariel, qui mesurera la composition et la structure de ces atmosphères planétaires, 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 ». Ariel pourra détecter des molécules comme « l'eau, le méthane, le monoxyde ou le dioxyde de carbone ainsi que l'ammoniac ou le cyanure d'hydrogène » et le satellite pourra « détecter la présence de nuages, voire fournir quelques données météorologiques ».

Enfin, en prenant en compte la température de l'atmosphère et sa composition, il « sera possible de déduire la composition des cœurs planétaires » et 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 ». Dans les conditions les plus favorables au satellite, Ariel « devrait être capable d'observer des planètes telluriques, c'est-à-dire avec une surface solide, avec une atmosphère étendue dans des conditions favorables ».

Parmi les objectifs secondaires de la mission, on citera par exemple, l'étude des « atmosphères des naines brunes, qui sont des objets intermédiaires entre les planètes géantes et les étoiles ». En fin de mission, Ariel pourra aller « chercher des objets de magnitude plus faible, ou dans des configurations plus difficiles ». Comme le souligne Jean-Philippe Beaulieu, « on peut aussi faire appel à la créativité des astronomes pour penser à des utilisations variées de ce télescope spatial ».

La lumière de l’étoile hôte d’une exoplanète observée par Ariel est filtrée par l’atmosphère de la planète qui se trouve sur la ligne de visée entre le télescope et l’étoile. Ariel détectera ainsi les molécules présentes dans les atmosphères de 1.000 exoplanètes grâce à des observations spectroscopiques : la lumière est dispersée à la façon d’un arc-en-ciel, et permet de mesurer la luminosité émise en fonction de la longueur d’onde ; on peut alors repérer des raies caractéristiques des atomes et molécules connues sur Terre. Ces observations permettent de déduire la composition chimique, la température et la pression dans l’atmosphère de la planète observée. © ESA, C. Carreau, ATG medialab

Un lancement prévu pour 2029

Le lancement avec une Ariane 6 est prévu en 2029 depuis Kourou. Sa mission est prévue pour durer pendant au moins quatre années. Le satellite Ariel est constitué « d'un télescope spatial avec un miroir primaire elliptique (1,10 x 0,73 mètre) au foyer duquel deux instruments serviront à analyser ces atmosphères planétaires ».

  • Le spectromètre infrarouge AIRS (Ariel InfraRed Spectrometer) couvre des plages de longueurs d'onde entre 1,95 à 7,8 microns, avec une résolution spectrale R=30-200. Cet instrument sera fourni par le Cnes, en partenariat avec l'IAP, le CEA, l'IAS et le Lesia.
  • Le FGS (Fine Guidance system), réalisé en collaboration avec la Nasa couvre, en parallèle, la plage 0,5-1,2 micron avec des canaux photométriques et un spectrographe à basse résolution entre 1,2 et 1,95 micron.

Ces instruments seront refroidis passivement à 55 kelvins (-218 °C) grâce à des boucliers thermiques. Les détecteurs de AIRS seront refroidis de manière active à une température de fonctionnement de 35 kelvins (-238 °C).

La mission est coordonnée par l'investigatrice principale Giovanna Tinetti et l'agence spatiale du Royaume-Uni qui mènent un consortium de plus de 60 instituts répartis dans 15 pays européens. Les deux partenaires principaux sont la France et l'Italie, avec de nombreuses contributions européennes. L'Institut d’astrophysique de Paris et l'équipe de Jean-Philippe Beaulieu, dont « nos études pionnières dès 2008 avec nos collaborateurs britanniques ont finalement mené à Ariel », se concentreront sur le développement des algorithmes pour analyser les données, les scenarii missions et l'exploitation scientifique.

  • Avec Ariel, les atmosphères d'un millier d'exoplanètes seront étudiées en détail.
  • Il existe 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.
Pour en savoir plus

Ariel, une mission pour étudier l'atmosphère des exoplanètes

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.

Article de Rémy Decourt, publié le 27 mars 2018

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. 

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 ».

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