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Mon satellite tiendrait dans une petite valise.
Mais cela pourrait nous aider à trouver d'autres mondes. 18 décembre 2020
Sara Seager avec un télescope dans sa cour, attendant l'obscurité du ciel nocturne. Webb Chappell
Sara Seager a longuement réfléchi aux mathématiques : les chances que la Terre abrite la seule vie dans l'univers sont presque impossibles. La plus grande découverte que les astronomes pourraient faire est que nous ne sommes pas seuls, écrit l'astrophysicienne du MIT dans ses nouveaux mémoires Les plus petites lumières de l'univers . L'humanité a cherché dans les cieux un reflet de nous-mêmes pendant des siècles ; voir quelqu'un ou quelque chose d'autre, habiter une autre Terre — c'est le rêve.
Pionnière dans la recherche d'exoplanètes, c'est-à-dire de planètes en orbite autour d'autres étoiles, elle a mis au point la pratique désormais courante d'étudier l'atmosphère des planètes en analysant la lumière qui les traverse. Seager, qui a remporté une bourse de génie de la Fondation MacArthur, est le professeur de sciences planétaires de la classe de 1941 et a également des nominations dans les départements de physique et d'aéronautique et d'astronautique. Elle a également été directrice scientifique adjointe de la mission TESS (satellite d'étude d'exoplanètes en transit) dirigée par le MIT et responsable de Starshade Rendezvous, une étude de faisabilité pour une mission spatiale visant à trouver et à caractériser des satellites semblables à la Terre. exoplanètes. Dans ses mémoires, elle partage son histoire personnelle de se retrouver veuve à 40 ans, soudainement mère célibataire de deux jeunes fils, tout en expliquant la science de sa recherche d'autres mondes.
Cet extrait, tiré de différentes sections de son livre, relate son travail pour développer ASTERIA. Satellite de la taille d'une petite valise, ASTERIA a été conçu pour démontrer la technologie nécessaire à un minuscule télescope pour rechercher des exoplanètes en détectant la minuscule baisse de la lumière d'une étoile lorsqu'une planète en orbite passe devant elle. Seager a lancé et développé ASTERIA au MIT, puis a été chercheur principal pendant sa construction et son exploitation par le Jet Propulsion Laboratory de novembre 2017 à décembre 2019.
Chercher des ombres pour trouver d'autres mondes
Dans son essence, l'astrophysique est l'étude de la lumière. Nous savons qu'il existe d'autres étoiles que le soleil parce que nous pouvons les voir briller. Mais la lumière ne fait pas qu'éclairer. La lumière pollue. Stores légers. Les petites lumières - les exoplanètes - ont été à jamais effacées par les plus grandes lumières de leurs étoiles, de la même manière que ces étoiles sont effacées par notre soleil. Pour trouver une autre Terre, il faudrait trouver les plus petites lumières de l'univers.
Si, pour le moment du moins, les astronomes ne pouvaient pas lutter contre la luminosité des étoiles, nous pourrions peut-être utiliser leur puissance à notre avantage. Les corps en transit s'alignent parfois. Si nous étions chanceux, une planète pourrait passer entre nous et son étoile, créant quelque chose comme une éclipse miniature. La lune a l'air géante quand elle cache le soleil. La technique du transit, comme on allait l'appeler, appliquait le même principe aux exoplanètes. Nous les trouverions non par la lumière qu'ils émettaient, mais par la lumière qu'ils gâchaient. Rien ne ressort comme un point noir.
À l'automne 1999, alors que j'étais stagiaire postdoctoral à l'Institute for Advanced Study de Princeton, le premier transit d'une planète connue – HD 209458b, un Jupiter chaud – a été annoncé. C'était une nouvelle absolument fantastique, en partie parce que la découverte a effacé le dernier doute sur l'existence des exoplanètes.
Étudier la lumière des étoiles pour des signes de vie
J'avais lancé une idée – vraiment originale – et l'utilisation réussie de la technique du transit lui a donné une plus grande urgence. Une grande partie de la science, en particulier la science pionnière, repose sur l'intuition. Je n'avais aucune preuve que mon idée fonctionnerait. Mais je l'étais sans doute. J'avais réalisé que la technique pouvait aider à révéler quelque chose de plus que la silhouette noire d'une planète. Immédiatement autour de cette minuscule éclipse partielle, la même lumière stellaire qui était bloquée par une exoplanète traverserait son atmosphère. La lumière des étoiles nous atteindrait, mais pas de la même manière que la lumière des étoiles normale nous atteint. Il serait filtré, comme l'eau qui traverse un écran ou le faisceau d'une lampe de poche qui se débat dans un brouillard. Si vous regardez un arc-en-ciel de loin, ses nombreuses couleurs forment une union parfaite. Mais si vous regardez un arc-en-ciel de plus près, en utilisant un instrument appelé spectrographe, vous pouvez voir des lacunes dans la lumière, de minuscules coupures dans chaque longueur d'onde comme des dents manquantes. Les gaz dans l'atmosphère solaire et la fine enveloppe de la Terre interrompent la transmission de la lumière du soleil, de la même manière que les lignes électriques provoquent de l'électricité statique dans un signal radio. Certains gaz interfèrent de manière révélatrice. Un gaz peut prendre une bouchée d'indigo, tandis qu'un autre gaz peut avoir un appétit pour le jaune ou le bleu. Pourquoi ne pourrions-nous pas utiliser un spectrographe pour observer la lumière des étoiles traversant l'atmosphère d'une exoplanète en transit ? De cette façon, nous pourrions déterminer quels types de gaz entourent cette exoplanète. Nous savions déjà que de grandes quantités de certains gaz n'existent probablement qu'en présence de vie. Nous les appelons gaz biosignatures. L'oxygène est un; le méthane en est un autre. Nous pourrions commencer par les Jupiter chauds, les planètes que nous connaissons déjà, et leurs atmosphères plus facilement détectables. Comme le spray d'une mouffette, leurs traces de sodium et de potassium se démarqueraient au milieu de la compagnie d'atomes moins puissants. J'ai gardé mon idée pour moi, parce que je savais qu'elle était géniale - j'étais le premier à voir le potentiel de la technique de transit pour étudier les atmosphères - et je savais aussi que les grandes idées se volaient. Dimitar Sasselov, mon ancien directeur de thèse, était la seule personne à qui j'ai parlé de ma théorie, et il m'a proposé de m'aider à la rapprocher de la pratique. Lorsque nous eûmes réglé les détails, j'ai publié un article vantant ce que Dimitar et moi appelions les spectres de transmission de transit - la lecture des lacunes dans les arcs-en-ciel.
Mon article a reçu une attention considérable. La NASA acceptait les propositions d'utilisation du télescope spatial Hubble ; quelques mois après la publication, une équipe a cité mon travail et a obtenu les droits d'étudier la lumière qui traversait l'atmosphère d'un Jupiter chaud en transit. J'étais furieux de ne pas faire partie de cette équipe, qui a choisi un scientifique plus âgé que moi.
En deux ans, leurs travaux ont révélé la première atmosphère d'exoplanète. Il n'entourait pas une autre Terre, mais ma prémisse avait fonctionné. Nous avions vu notre premier ciel extraterrestre.
Espionner les étoiles avec de minuscules satellites
L'un des grands obstacles à la recherche d'exoplanètes est le temps qu'il faut pour les trouver. Les étoiles semblables au soleil les plus proches et les plus brillantes sont dispersées dans tout le ciel, ce qui signifie qu'aucun télescope ne peut en capter plus que quelques-unes à la fois. Mais il est excessivement coûteux, ainsi qu'insensé, d'utiliser quelque chose comme Hubble ou Spitzer pour regarder un seul système stellaire attendant, espérant voir les ombres de planètes dont nous ne sommes pas sûrs d'exister. Cartographier correctement un système stellaire peut prendre des années.
J'essayais d'élaborer un plan à long terme pour trouver une autre Terre lorsque j'ai appris ce que la communauté avait pris pour appeler des cubesats - de minuscules satellites conçus selon une forme standard, ce qui les rendait soi-disant moins chers et plus faciles à construire et à livrer dans l'espace. Et si je faisais une constellation de cubesats, chacun assigné à regarder une seule étoile ? J'ai rêvé de télescopes spatiaux de la taille d'une miche de pain - pas un, mais une armée, se déployant en orbite comme autant d'éclaireurs avancés. Chacun pouvait s'installer et surveiller son étoile semblable au soleil assignée aussi longtemps que j'en avais besoin; chacun pourrait être dédié à apprendre tout ce qui est possible sur une seule lumière. Hubble, Spitzer, Kepler – ils ont chacun vu énormément. Peut-être que maintenant nous avions besoin de dizaines ou de centaines de regards plus étroits, en utilisant la technique du transit comme principale méthode de découverte. Les cubesats ne verraient pas ce que les plus grands télescopes spatiaux pourraient voir, mais ils n'auraient jamais besoin de cligner des yeux.
Ce panorama du ciel nordique capturé par TESS (transiting exoplanet survey satellite) inclut une vue latérale de la Voie lactée. Sara Seager a été directrice scientifique adjointe du TESS dirigé par le MIT, une mission d'exploration de la NASA, de 2016 à 2020.
NASA/MIT/TESS ET ETHAN KRUSE (USRA)
J'ai parlé à David Miller, un collègue et professeur d'ingénierie qui était responsable de ce qui allait devenir l'un de mes cours préférés : un cours de conception et de construction pour les étudiants de quatrième année. C'était révolutionnaire quand ça a commencé, parce que c'était tellement basé sur des projets ; après quelques conférences d'introduction, les étudiants se sont plongés dans les défis de la fabrication d'un véritable satellite. J'ai demandé à David si je pouvais utiliser sa classe pour incuber mon idée de cubesat.
Il était enthousiaste dès le départ. Peut-être que la meilleure chose à propos du MIT est que peu importe à quel point votre idée est folle, personne ne dit qu'elle ne fonctionnera pas tant qu'elle ne s'est pas avérée irréalisable. Et serrer un télescope spatial à l'intérieur de quelque chose d'aussi petit qu'un cubesat était une idée assez folle. Le principal défi serait de créer quelque chose de petit qui soit encore suffisamment stable pour recueillir des données claires - un défi de taille car les petits satellites, comme tout ce qui est plus petit, se déplacent plus facilement dans l'espace que les objets plus gros. Pour prendre des mesures précises de la luminosité d'une étoile, nous aurions besoin de pouvoir maintenir son centre de luminosité fixé à la même minuscule fraction de pixel, bien plus fine que la largeur d'un cheveu humain. Nous devions faire quelque chose qui était cent fois mieux que tout ce qui existait actuellement dans la classe de masse du cubesat. Imaginez fabriquer un moteur de voiture qui tourne cent fois mieux que le meilleur moteur de voiture actuel.
Faisons-le, dit David.
Statistiques et matériel spatial
Les cubesats sont beaucoup moins chers que les satellites ordinaires, car ils sont plus petits et plus faciles à lancer ; ils prennent beaucoup moins de place dans la soute d'une fusée, et il en coûte 10 000 $ pour envoyer une livre de quoi que ce soit dans l'espace. Malheureusement, leur fabrication bon marché les rend sujets à l'échec. Beaucoup d'entre eux ne travaillent jamais. Nous utilisons pour eux le même terme désespéré que les médecins utilisent pour les patients qu'ils n'ont jamais eu la chance de sauver : DOA.
L'un de nos premiers obstacles a donc été un problème de statistiques. (Chaque problème est un problème de statistiques.) Pour créer le nuage de cubesats qui allait s'appeler ASTERIA, nous devions déterminer le nombre de satellites dont nous aurions besoin pour nous donner une chance raisonnable de trouver une autre planète de la taille de la Terre. Des milliers d'étoiles brillantes semblables au soleil méritaient d'être surveillées, mais nous ne serions pas en mesure de construire et de gérer des milliers de satellites. Nous savions également qu'étant donné la nature éphémère des transits, les chances qu'une planète de la taille de la Terre transite par une étoile semblable au Soleil n'étaient que d'environ 1 sur 200. Certains de nos satellites échoueraient sans aucun doute ou seraient perdus. Si nous n'en envoyions que quelques-uns, nous devions être soit très stratégiques, soit très chanceux pour trouver ce que nous recherchions. Il y avait un nombre optimal de satellites qui, combiné à une liste intelligente d'étoiles cibles, maintiendrait notre budget raisonnable tout en nous donnant de bonnes chances de succès.
J'ai eu la chance d'avoir un excellent groupe d'étudiants diplômés et de postdoctorants sur qui je me suis appuyée lorsque mon mari, Mike, est tombé malade. J'en ai mis un sur l'optique d'ASTERIA, un autre sur le pointage de précision, un troisième sur les communications. Avec leur aide, j'avais progressé vers un prototype pour mes minuscules satellites, inventant et testant du matériel et des logiciels de pointage de précision, et perfectionnant la conception du télescope embarqué et de son déflecteur de protection. J'ai travaillé dur pour dégager le reste du chemin pour qu'ASTERIA devienne réel. Après avoir jeté les bases du cours de conception et de construction, mes étudiants et moi avons été rejoints dans nos efforts par le laboratoire Draper à Cambridge, où les chercheurs travaillent sur des choses comme les systèmes de guidage de missiles et la navigation sous-marine. Ils font aussi beaucoup de travail sur le matériel spatial. Nous avions des réunions chaque semaine, essayant de résoudre les problèmes des petits télescopes. Nous pouvions construire des composants suffisamment petits, et nous pouvions déployer le satellite et lui dire quoi faire, mais nous ne savions toujours pas comment le maintenir aussi stable que nous en avions besoin. Pendant que nous essayions de résoudre ce problème, j'ai utilisé mes recherches en cours sur les gaz biosignatures pour déterminer quels types d'exoplanètes méritaient notre attention. Je pensais que nous pourrions explorer une centaine de systèmes stellaires environ au cours de ma vie ; ils devaient être les bons.
Une épreuve dans le désert
La nuit est tombée, désertique et plus noire que noire alors que nous nous sommes blottis sur une grande parcelle de béton sur un ancien site de missiles au milieu du Nouveau-Mexique pour tester un nouveau composant pour ASTERIA. J'étais de plus en plus sûr de sa valeur. Ce n'était pas Hubble ou Spitzer ou Kepler, et ce ne sera peut-être jamais quelque chose d'aussi magnifique. Mais toutes les peintures ne devraient pas ou ne pourraient pas être Nuit étoilée . Il y a de la place dans l'univers pour de plus petits travaux, un autre genre d'art. Kepler pourrait trouver des milliers de nouveaux mondes, mais il n'en révélerait pas suffisamment pour que nous sachions s'il s'agissait de la maison de quelqu'un. Il balayait son regard sur des champs d'étoiles trop éloignés pour que les astronomes fassent autre chose que des hypothèses sur des endroits comme Kepler-22b.
Mais si je pouvais simplement faire fonctionner ASTERIA, puis trouver un moyen d'envoyer une flotte de satellites, cela combinerait les meilleurs résultats du télescope spatial Kepler de la NASA, capable de trouver des planètes plus petites autour d'étoiles semblables au soleil, et du TESS naissant, avec sa recherche plus proche et sa sensibilité aux étoiles naines rouges.
Les ingénieurs testent ASTERIA avant son lancement en 2017.
NASA/JPL-CALTECHMon équipe a construit un prototype pour une éventuelle caméra, une caméra qui était d'une stabilité prometteuse et pouvait fonctionner à une température plus chaude que les détecteurs utilisés dans la plupart des satellites. (La plupart doivent être refroidis, ce qui taxe la machine.) Je n'étais tout simplement pas sûr qu'il verrait ce que nous en avions besoin pour voir. J'avais à l'époque une étudiante diplômée particulièrement brillante et enthousiaste, nommée Mary Knapp; elle avait été étudiante de premier cycle dans le premier cours de conception et de construction que j'ai enseigné. Elle nous a encouragés à tester la caméra à l'extérieur, en l'utilisant pour regarder de vraies stars. Mary a proposé les déserts du Nouveau-Mexique comme terrain d'essai. En avril, il y aurait une nouvelle lune, jetant le ciel déjà clair du désert d'un noir uniforme. Cette nouvelle lune a également coïncidé avec les vacances scolaires de mes fils, Max et Alex, ce qui m'a permis de les emmener avec moi. Autant je voulais voir les étoiles, autant je voulais les voir aussi.
J'avais demandé à un club local d'astronomes amateurs quel était le meilleur endroit pour tester notre caméra. Cette nuit-là, ils nous ont invités à leur fête d'observation des étoiles, une célébration de la nouvelle lune. Nous sommes arrivés au crépuscule sur l'ancien site de missiles. J'ai levé les yeux vers les étoiles et j'ai senti mon émerveillement enfantin revenir. Je pense que les garçons l'ont ressenti aussi.
Nous installons la caméra. Nous devions attendre d'être de retour au MIT pour analyser nos données, mais notre nouveau type de détecteur, qui n'était pas encore utilisé pour l'astronomie, semblait faire l'affaire. Nous savions au moins que notre expérience n'était pas un échec total.
Un lancement tant attendu
En août 2017, après des années de travail, d'espoir et d'efforts, SpaceX s'est préparé à lancer une fusée Falcon 9 dans l'espace. La fusée n'avait pas d'équipage, mais ASTERIA était à bord.
Cela avait été un voyage difficile. La caméra avait fait son chemin de mon imagination à notre classe de conception et de construction, à travers des dessins et des prototypes et un ancien site de missiles au Nouveau-Mexique. Ensuite, nous étions à court d'argent au MIT, et Draper Laboratory avait préféré la technologie pour d'autres choses. Le Jet Propulsion Laboratory, qui s'était toujours intéressé aux possibilités des cubesats et d'ASTERIA en particulier, a repris là où le MIT et Draper s'étaient arrêtés. Trois diplômés du MIT y joueraient des rôles principaux dans le projet; ils ont pris leur travail au sérieux, ayant vu de première main à quel point cela comptait. Leur passion et leur expertise ont fait en sorte qu'ASTERIA devienne tout ce qu'elle pourrait être, qu'elle soit construite correctement et placée avec amour, enfin, dans la cale d'une fusée, gémissant sur la rampe de lancement par une belle journée de fin d'été. La fusée fendrait le ciel et aurait rendez-vous avec la Station spatiale internationale. Les astronautes là-bas libéreraient notre petit satellite plus tard cet automne. D'un murmure dans mes rêves à l'espace : je ne pouvais pas croire que nous approchions de la fin d'un si long compte.
J'avais prévu d'aller au lancement d'ASTERIA, mais il a été retardé juste assez longtemps pour que les projets de voyage et de garde d'enfants échouent. Le jour du lancement, j'ai plutôt pris le train pour Cambridge, marché jusqu'au Green Building et pris l'ascenseur jusqu'à mon étage. Je suis passé devant les affiches de voyage pour les mondes lointains dans mon bureau, j'ai fermé la porte et j'ai appelé le flux vidéo en ligne. Le lancement était un gros problème; partout dans le monde, les yeux étaient braqués sur cette fusée, toujours en attente sur le pad.
De temps en temps, je levais les yeux des images sans nuage de la Floride sur mon écran et par mes fenêtres, vers ma vue cristalline du centre-ville de Boston. Il y avait un ciel dégagé partout où je regardais. J'ai passé peut-être 30 minutes dans le calme, à écrire des e-mails de remerciement aux autres membres de l'équipe ASTERIA. Au dernier moment, j'ai décidé de ne pas les envoyer. Je sais que la superstition n'est pas scientifique. Je comprends que cela n'a pas d'importance pour l'univers si un joueur de baseball porte ses sous-vêtements porte-bonheur - qu'il obtienne un coup dépend principalement du lanceur et de lui. Mais les fusées sont des machines délicates et de mauvaise humeur. Avant que les Russes ne lancent des fusées depuis les steppes du Kazakhstan en orbite, ils demandent à un prêtre orthodoxe de jeter de l'eau bénite sur les propulseurs, sa barbe et son manteau et l'eau bénite transportée latéralement par le vent. Je n'allais pas si loin, mais je n'allais pas envoyer quelques e-mails tant que nous ne serions pas en apesanteur. J'ai été surpris de voir à quel point j'étais nerveux en regardant le compte à rebours s'écouler avant le lancement.
Les moteurs s'enflammèrent avec une grosse boule de feu pur. La tour de lancement s'est effondrée et la fusée s'est détachée de la plate-forme, a pris de la vitesse et a poussé ses épaules brillantes vers sa future orbite. Les caméras embarquées ont enregistré son vol arqué alors que le ciel qui l'entourait passait du bleu au violet au noir. La fusée avait pénétré dans l'espace. Les propulseurs ont été largués et le reste de la fusée a poursuivi son ascension dans la nuit la plus profonde possible, la Terre bleue et allumée derrière elle, une obscurité impossible devant. Il lui faudrait un peu de temps pour rattraper la station spatiale, qui se frayait un chemin à travers l'orbite à 17 000 milles à l'heure, soit environ cinq milles par seconde. Mais la fusée et notre satellite étaient en bonne voie.
Tout ce qui est courageux doit commencer quelque part, pensai-je.
Est-ce que je crois en une autre vie dans l'univers ?
Oui je crois.
La meilleure question : qu'est-ce que notre recherche dit de nous ? Il dit que nous sommes curieux. Il dit que nous avons de l'espoir. Il dit que nous sommes capables d'émerveillement et de choses merveilleuses.
Adapté et réimprimé de Les plus petites lumières de l'univers . Copyright 2020 par Sara Seager. Publié par Crown, une empreinte de Random House Publishing Group, une division de Penguin Random House.