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Planete Gazer
Enfant, Sara Seager était convaincue que la lune la suivait partout où elle allait. Le frisson de le regarder à travers un télescope quand elle avait cinq ans est l'un de ses premiers souvenirs.
Sara Seager
Alors que Seager obtenait pour la première fois un bon aperçu de la lune en 1976, les astronomes de la NASA discutaient déjà de la nécessité d'un télescope infrarouge basé dans l'espace. Lorsque le télescope spatial Spitzer a été mis en orbite près de trois décennies plus tard, Seager elle-même serait l'une des scientifiques l'utilisant pour étudier l'atmosphère des planètes au-delà de notre système solaire, des planètes dont personne n'était sûr qu'elles existaient 10 ans plus tôt.
En 1995, la lune avait suivi Seager jusqu'à l'université de Harvard, où elle choisissait un sujet de thèse de doctorat. Cet automne-là, des scientifiques suisses ont annoncé avoir repéré une planète en orbite autour d'une étoile dans la constellation de Pégase, la première de ce qui serait bientôt plusieurs planètes détectées en dehors de notre système solaire. Seager a écrit sa thèse sur la façon dont les atmosphères des Jupiters chaudes - des planètes extrasolaires géantes et gazeuses, comme Jupiter, mais beaucoup plus proches de leurs étoiles et donc plus de 10 fois plus chaudes - sont affectées par le rayonnement de leurs étoiles. Aujourd'hui, elle est considérée comme une pionnière dans l'étude des planètes extrasolaires, ou exoplanètes. Dans certains domaines, vous ne faites que progresser progressivement vers des questions qui existent depuis des décennies, dit-elle. Dans ce domaine, nous proposons autant de questions que de réponses.
Avec plus de 200 exoplanètes maintenant documentées, les chercheurs sont naturellement enthousiastes à l'idée d'avoir autant de nouveaux territoires à explorer et à expliquer. Les gens sont enthousiastes et veulent juste faire de nouvelles choses, mais ne sont souvent pas aussi prudents qu'ils devraient l'être, explique Seager. C'est comme le Far West. Les choses arrivent si vite, vous faites juste des choses. Ensuite, vous partez. Désireuse d'apporter plus de sophistication au domaine, elle a rejoint la faculté du MIT en janvier pour lancer un nouveau programme sur les planètes extrasolaires et développe un cours sur les exoplanètes qu'elle enseignera à l'automne. Je suis venue ici pour apporter une partie des connaissances et des outils [de la science atmosphérique du MIT] à la recherche sur l'atmosphère des exoplanètes, dit-elle. En tant que professeure agrégée Ellen Swallow Richards au Département des sciences de la Terre, de l'atmosphère et des planètes, Seager côtoie désormais des météorologues et des scientifiques de l'atmosphère ainsi que d'autres astronomes. Des cartes topographiques des États-Unis et du monde encadrent la porte de son bureau Green Building, où elle réfléchit à des planètes bien au-delà de notre système solaire.
Le laboratoire de Seager se compose de son cerveau et de son ordinateur, qui contient des données collectées au-dessus de l'atmosphère terrestre par le télescope Spitzer. Son bureau ne contient pas grand-chose d'autre. Des cartons de dossiers de son dernier emploi, en tant que chercheuse principale à la Carnegie Institution de Washington, bordent un mur ; les déballer lui prendrait du temps pour ses recherches. Un tableau noir est accroché à un autre, couvert de diagrammes illustrant les techniques qu'elle et d'autres ont développées pour glaner des indices sur les atmosphères des exoplanètes.
Lorsque les astronomes ont découvert la première exoplanète, ils ont été choqués de la trouver sept fois plus proche de son étoile que Mercure ne l'est du Soleil. Sa proximité avec une étoile d'une brillance aveuglante la rendait extrêmement difficile à étudier. Mais Seager savait que d'ici peu, quelqu'un trouverait une exoplanète qui, vue de la Terre, transiterait devant son étoile puis disparaîtrait derrière elle. (La probabilité qu'une exoplanète en orbite rapprochée transite par son étoile est d'environ 10 %.) Les astronomes pourraient alors utiliser une méthode conçue au milieu des années 1900 pour étudier les étoiles binaires à éclipse : en mesurant la légère baisse de la lumière de l'étoile lorsque l'exoplanète est passée dans devant elle, ils pouvaient calculer le rapport entre la surface de la planète et celle de son étoile.
Effectivement, en 1999, des astronomes ont observé la septième exoplanète en orbite rapprochée faisant transiter son étoile à quelque 904 billions de milles de la Terre. Géante gazeuse dont les températures peuvent dépasser les 1 300 °C, l'exoplanète HD 209458b est classée comme Jupiter chaude. C'est également l'une des deux seules exoplanètes en transit connues dont les étoiles éclairent suffisamment leur atmosphère pour donner aux astronomes les données dont ils ont besoin pour effectuer des études détaillées.
La seule façon pour les astronomes de se renseigner sur l'atmosphère d'une autre planète est d'étudier le transfert radiatif de la planète, ou la propagation de la lumière à travers son atmosphère. Mais HD 209458b est si proche de son étoile qu'elle termine son orbite en trois jours et demi, et même le Spitzer, qui détecte la lumière infrarouge à raison de 1 partie pour 1 000, ne peut pas à lui seul distinguer la lumière de la planète de les étoiles. Ainsi, dans le cadre d'un groupe de recherche basé au Goddard Space Flight Center de la NASA, Seager et ses collègues ont utilisé un calcul simple pour isoler la lumière de la planète. Avec le spectrographe infrarouge du Spitzer, les chercheurs ont mesuré la lumière de l'étoile et de la planète ensemble (quand les deux sont visibles) et ont soustrait la lumière de l'étoile seule (quand elle éclipse la planète).
Le spectrographe, qui fonctionne comme un prisme, a également séparé la lumière de la planète en ses longueurs d'onde composantes. Les chercheurs ont analysé la lumière à chaque longueur d'onde, à la recherche de caractéristiques permettant d'identifier les molécules dans l'atmosphère de l'exoplanète. Dans le numéro du 22 février de La nature , ils ont rapporté avoir rassemblé les premières données spectrales de HD 209458b au cours de deux éclipses en juillet 2005 et ont expliqué leurs découvertes quelque peu surprenantes.
Pour faire leur analyse spectrale – et même pour décider quoi rechercher en premier lieu – les chercheurs ont utilisé des modèles d'atmosphères d'exoplanètes possibles que Seager avait développés. Lorsque la lumière des étoiles brille sur une planète, les photons rencontrent des molécules dans l'atmosphère ; selon la molécule qu'il frappe, un photon peut être absorbé, diffusé ou réémis à une longueur d'onde différente. En observant les photons qui émergent de l'atmosphère, Seager peut déterminer quelles molécules l'atmosphère contient. Les photons sont notre monnaie, dit-elle.
Pour créer ses modèles de ce à quoi pourrait ressembler un Jupiter chaud, Seager a adapté un modèle non pas d'une autre planète mais d'une étoile froide, comme notre soleil. Elle l'a d'abord modifié pour rapprocher sa température de celle de Jupiter. Ensuite, elle a considéré quels atomes et molécules se trouveraient sur une planète chaude en équilibre chimique. Parce que le sodium, par exemple, semblait un candidat probable, elle a ajouté ses propriétés à son modèle pour créer une signature spectrale indiquant la présence de sodium. Lorsque HD 209458b a été découvert en 1999, Seager, alors un nouveau doctorat, a entré les données disponibles sur la planète dans ses modèles et a prédit la présence de sodium (entre autres) dans l'atmosphère qu'elle était supposée avoir. À l'aide de ses modèles, les astronomes ont conçu des expériences dans lesquelles le télescope spatial Hubble a recherché le sodium. En 2001, ces expériences ont abouti à la première détection de l'atmosphère d'une planète extrasolaire et ont confirmé la prédiction de Seager.
Lorsque Seager et ses collègues ont demandé au Spitzer d'observer HD 209458b en 2005, ils s'attendaient à trouver des preuves de molécules d'eau dans l'atmosphère. Mais aucune preuve de ce genre n'est apparue. Les chercheurs ont cependant observé ce qu'ils pensent être la signature spectrale des nuages de silicate, sous lesquels la vapeur d'eau peut être piégée. Seager émet également l'hypothèse que du côté jour de l'exoplanète, la température peut être constante dans toute l'atmosphère, auquel cas il y aurait un équilibre : toute preuve d'absorption d'eau serait annulée par une preuve d'émission d'eau.
Seager n'est pas surpris lorsque les données expérimentales ne correspondent pas à la plupart des centaines de modèles qu'elle a construits jusqu'à présent. C'est ainsi que la nature est plus créative que nous, dit-elle, heureuse qu'il soit possible de dire avec certitude quels éléments existent sur une planète à quelque 150 années-lumière. Nous pouvons en fait caractériser les atmosphères des exoplanètes, dit-elle. Il y a quatre ans, personne n'aurait cru que vous pouviez le faire.
Désireuse de plus de données à intégrer à ses modèles, Seager fait partie d'un effort mené par le MIT pour développer et, d'ici 2009, lancer un satellite privé appelé TESS, qui étendra la recherche d'exoplanètes. Spitzer ne peut regarder que les choses que nous connaissons déjà et ne peut voir qu'une étoile à la fois, explique-t-elle. Cela va regarder littéralement des millions d'étoiles, à la recherche de cette petite baisse de luminosité indicative d'un transit planétaire.
Seager espère trouver des planètes rocheuses, idéalement en orbite autour d'étoiles brillantes afin qu'il y ait suffisamment de lumière pour les étudier. Les planètes géantes gazeuses sont ennuyeuses car elles contiennent tous les gaz avec lesquels elles sont nées, dit-elle. La Terre, cependant, a évolué; par exemple, les premiers volcans crachaient des gaz et les plantes produisent une abondance d'oxygène. De plus, les géantes gazeuses sont trop chaudes pour la vie. Nous voulons être en mesure de trouver des planètes qui peuvent soutenir la vie, dit Seager, qui pense absolument qu'il y a de la vie au-delà de notre planète.
Nous n'allons pas voir de petites personnes vertes, prévient-elle, ajoutant qu'elle n'est pas intéressée à rencontrer des extraterrestres elle-même. Très probablement, dit-elle, nous trouverons des bactéries. Mais même cela pourrait être révélateur. Si nous pouvons trouver de la vie ailleurs, cela peut être un indice d'où nous venons, dit-elle.
Seager pense qu'il y a de fortes chances que nous détections des signes de vie sur d'autres planètes au cours de sa vie. Mais, ironise-t-elle, j'espère vivre longtemps.