Image prise au printemps 2022, lors du rodage de James-Webb, par le détecteur de guidage de précision (FGS). Ce système mis au point par l’Agence spatiale canadienne sert à viser les cibles, mais peut aussi fournir des images. Ici, l’étoile HD147980 et des milliers de galaxies, en fausses couleurs. Image: Chris Gunn/NASA
L’instrument NIRISS, embarqué à bord du télescope spatial James-Webb, a été conçu au Canada. Ses premières données sont très prometteuses. Donnera-t-il un nouveau souffle à la recherche de vie extraterrestre ?
Les premières photos prises par le télescope spatial James-Webb, diffusées en 2022, ont émerveillé le monde entier par leur beauté. Mais à l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes (iREx), qui regroupe des chercheurs et des chercheuses de l’Université de Montréal et de l’Université McGill, ce sont des données passées un peu plus inaperçues aux yeux du grand public qui ont causé l’émoi : les premiers spectres fournis par l’imageur et spectrographe sans fente NIRISS (pour Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph), l’un des quatre instruments scientifiques embarqués à bord de James-Webb. « Ces résultats préliminaires nous montrent toute la puissance du télescope pour étudier les exoplanètes », affirme le directeur de l’iREx, René Doyon, également professeur au Département de physique de l’Université de Montréal.
Le NIRISS et le détecteur de guidage de précision en cours de réglage, avant le montage de James-Webb, dans la salle blanche du centre de vol spatial Goddard de la NASA. Image: NASA, CSA et l’équipe du FGS
Ce n’est pas de l’orgueil de sa part, bien qu’il ait codirigé l’équipe qui a conçu cet outil : le NIRISS est vraiment performant ! Sa précision et sa sensibilité sont telles que l’on peut réussir à déterminer la composition chimique de l’atmosphère des exoplanètes. Le NIRISS devrait donc donner un nouveau souffle à l’étude de ces dernières, et surtout à la recherche de signatures témoignant d’une éventuelle activité biologique. Un coup de pouce pour trouver de la vie extraterrestre, en somme !
Depuis la découverte de la toute première exoplanète en 1995, il ne se passe pas un mois sans que l’on en découvre une nouvelle, et l’on atteint aujourd’hui plus de 5200 planètes confirmées par la NASA. James-Webb a récemment apporté sa première contribution à cette chasse de grande envergure, en confirmant l’existence en janvier dernier de LHS 475 b, située à 40 années-lumière de la Terre. À la base, « ce télescope n’avait pas vraiment été conçu pour étudier les exoplanètes, rappelle Björn Benneke, professeur à l’Université de Montréal et chercheur à l’iREx. L’objectif était d’observer des objets très lointains et très sombres : on n’avait pas prévu d’observer des étoiles vraiment proches de nous, qui sont très brillantes. Au Canada, on a décidé de changer légèrement le design du NIRISS pour pouvoir également observer ces étoiles, et donc leurs exoplanètes. »
Exemple de spectre obtenu par le NIRISS lorsqu’il est pointé sur une étoile. Chaque couleur correspond à une longueur d’onde précise, et les stries noires correspondent à la « signature » des atomes d’hydrogène de l’étoile. Image: NASA, CSA et l’équipe du NIRISS, Loic Albert
Devant son étoile
Le NIRISS possède quatre modes, qui lui permettent d’étudier le rayonnement dans le proche infrarouge de différents objets célestes et de collecter toutes sortes de données, depuis la formation des premières étoiles et des premières galaxies après le big bang jusqu’à la météo des exoplanètes. En particulier, le mode SOSS (pour Single Object Slitless Spectroscopy) se concentre sur un objet à la fois et sert à étudier l’atmosphère des exoplanètes, grâce à la méthode dite « du transit ».
L’un des modes du NIRISS lui permet d’obtenir des spectres de milliers d’objets en même temps. À gauche, les galaxies figurent sous forme de points ou d’amas. À droite, le spectre de chaque galaxie (ou amas) est étalé horizontalement. Ces mesures permettent de calculer entre autres la distance des galaxies et leur âge. Image: CNRS
Tout se joue lorsqu’une planète passe devant son étoile : elle éclipse alors une petite fraction de la lumière de celle-ci. Si la planète possède une atmosphère, cette dernière va filtrer une partie de la lumière provenant de l’étoile et en modifier le spectre. « On sait par exemple que l’eau absorbe la lumière à 1,4 µm de longueur d’onde, explique Loïc Albert, chercheur à l’iREx. Donc si elle contient de la vapeur d’eau, l’atmosphère de l’exoplanète sera opaque à cette longueur d’onde. Chaque molécule, chaque atome a ainsi sa propre signature spectrale : c’est comme ça qu’on peut trouver la composition chimique de l’atmosphère. »
Pour effectuer ce type d’observations, il faut cependant que le télescope, l’exoplanète et son étoile soient alignés ; et si l’on espère voir l’atmosphère filtrer une partie de la lumière de l’étoile, il faut que celle-ci ne soit pas trop brillante. « On peut imaginer par exemple que, si on a une petite ampoule et que l’on met son doigt devant, la baisse de luminosité va être beaucoup plus importante que si on a une très grosse ampoule très lumineuse », illustre Olivia Lim, doctorante à l’Université de Montréal et membre de l’iREx.
La zone habitable
Chercher des biosignatures sur une exoplanète n’est cependant pas une mince affaire et requiert de cocher un bon nombre de contraintes. Il faut d’abord sélectionner des planètes candidates, observables par la méthode du transit et dont les conditions pourraient potentiellement abriter de la vie. Il s’agit a priori de planètes rocheuses, à peu près de la même taille que celle de la Terre, et qui se situent dans la zone dite « habitable » autour de leur étoile, là où il ne fait ni trop chaud ni trop froid, pour permettre la présence d’eau liquide en surface.
Il faut ensuite déterminer si la planète a une atmosphère, puis vérifier la présence d’eau. Pourquoi, parmi toutes les molécules, l’eau est-elle si importante ? Car c’est une condition sine qua non pour la vie sur Terre. Les scientifiques supposent donc qu’elle l’est aussi pour la vie extraterrestre. « L’un des autres grands défis de l’astrobiologie, c’est qu’on doit baser nos théories sur quelque chose, et donc on le fait sur les exemples de vie qu’on a sur Terre, explique Nathalie Ouellette, coordonnatrice scientifique canadienne du télescope et de l’iREx. Et en l’occurrence, l’eau est nécessaire pour les processus chimiques qui mènent à la biologie. Peut-être que des formes de vie extraterrestres pourraient avoir trouvé d’autres chemins pour la réactivité biologique, mais ce serait comme chercher la réponse à une question qu’on ne se serait même pas encore posée. »
Si les conditions d’observation, de taille, de température et d’atmosphère sont réunies, on peut alors commencer à chercher d’autres molécules que celles de l’eau dans l’atmosphère. On sait notamment que certains gaz, comme le dioxygène, le méthane, le CO2 ou encore l’ozone, peuvent trahir la présence de vie. Mais trouver un seul de ces gaz n’est certainement pas suffisant pour crier victoire. En effet, « nous connaissons des moyens géologiques ou chimiques de produire de l’oxygène ou du méthane sans qu’il y ait de la vie par exemple. Mais si l’on détectait ces deux gaz à la fois, ce serait une biosignature plus convaincante », explique Sarah Rugheimer, spécialiste des biosignatures et professeure au Département de physique et d’astronomie de l’Université de York, à Toronto.
Attention, donc, aux conclusions hâtives lorsqu’il s’agit de rechercher de la vie extraterrestre. « Même si l’on parvient un jour avec James-Webb à détecter des molécules dans l’atmosphère d’une planète de taille terrestre, il y aura encore un long chemin avant de pouvoir confirmer que ce sont des traces de vie, souligne Olivia Lim. Il faudra consulter des experts en biologie et en astrobiologie pour savoir si des processus chimiques non biologiques pourraient les avoir produites dans de telles quantités. »
Vue d’artiste de l’exoplanète WASP-39b, étudiée par le NIRISS. Illustration: NASA, ESA, CSA et J. Olmsted (STScI)
Détour par WASP-39b
Avant de s’attaquer aux planètes rocheuses terrestres pouvant éventuellement abriter de la vie extraterrestre, les scientifiques ont d’abord étudié les planètes gazeuses, afin de tester les performances du NIRISS. « C’est comme un échauffement pour nous : elles sont plus grosses, plus brillantes, leur atmosphère est plus épaisse, donc plus facile à étudier que celle des planètes rocheuses », souligne Nathalie Ouellette.
Björn Benneke fait partie de l’équipe internationale qui a passé au crible la planète géante gazeuse WASP-39b avec le NIRISS. D’une masse comparable à celle de Jupiter, cette planète découverte en 2011 est située à 700 années-lumière de la Terre, et sa température avoisine les 900 °C. Les observations de l’équipe ont été dévoilées dans cinq articles diffusés sur arXiv en novembre dernier (ils sont donc encore en attente d’être revus par les pairs).
Cette « Jupiter chaude » a réservé bien des surprises aux scientifiques. « On a notamment trouvé du CO2, de la vapeur d’eau et du monoxyde de carbone dans l’atmosphère de cette planète, affirme le chercheur. Il n’y a aucun doute là-dessus, c’était comme voir l’atmosphère de nos propres yeux. Et on a aussi trouvé du dioxyde de soufre (SO2), auquel on ne s’attendait pas du tout, donc c’était vraiment une grande surprise. »
Après cette petite mise en jambes, place aux exoplanètes rocheuses. Ce sont les sept planètes du système TRAPPIST-1 sur lesquelles Olivia Lim a jeté son dévolu. Par chance, elles sont toutes rocheuses et respectent les contraintes d’observation et de taille dont on parlait plus haut. Et cerise sur le gâteau : trois d’entre elles au moins se trouvent dans la zone habitable ! Reste à savoir si ces exoplanètes ont bel et bien une atmosphère, et si elles contiennent de l’eau, avant de passer à des analyses plus poussées pour essayer d’y détecter d’autres molécules. La doctorante prépare en ce moment même un article sur les premières observations de TRAPPIST-1 faites avec James-Webb, qui devraient apporter un début de réponse.
Toute l’équipe de l’iREx a hâte de découvrir la suite des événements. « Le télescope James-Webb est plus performant que ce que nous avions prévu, donc c’est de très bon augure, dit René Doyon. L’avenir est extrêmement brillant, et ça va s’accélérer dans les prochaines années. » James-Webb n’a donc pas fini de nous livrer tous les secrets des exoplanètes, et peut-être même de la vie extraterrestre !
