Une mission spatiale au foyer gravitationnel du Soleil

La recherche d'une planète semblable à la Terre en orbite autour d'une autre étoile est l'un des plus grands défis de l'astronomie. C'est une tâche qui semble proche d'aboutir. Depuis que les astronomes ont repéré la première exoplanète en 1988, ils en ont trouvé plus de 2 000 autres.

La plupart de ces planètes sont énormes, car les objets plus gros sont plus faciles à repérer. Mais à mesure que les techniques et les technologies de détection s'améliorent, les astronomes trouvent des planètes qui correspondent de plus en plus étroitement aux statistiques vitales de la Terre.

Ils ont même commencé à utiliser un système de classement appelé Earth Similarity Index pour quantifier la similitude d'une exoplanète avec la planète mère. L'exoplanète la mieux classée actuellement est Kepler-438b, qui orbite dans la zone habitable d'une naine rouge dans la constellation de la Lyre à quelque 470 années-lumière d'ici.

Kepler-438b a un indice de similarité terrestre de 0,88. En comparaison, Mars a un ESI de 0,797, donc il ressemble plus à la Terre que notre voisin le plus proche. C'est excitant, mais il est inévitable que les astronomes trouvent des planètes avec des indices encore plus élevés dans un avenir proche.

Et cela soulève une question intéressante : que pouvons-nous savoir sur ces planètes, compte tenu de leur taille et de leur distance ? Après tout, la taille limitée des télescopes en orbite impose des restrictions sévères sur la quantité de lumière et d'informations que nous pouvons recueillir à partir d'un analogue de la Terre.

Mais il existe une autre option : le champ gravitationnel du soleil peut focaliser la lumière. Placez un télescope au point focal de cette lentille géante et il devrait devenir possible d'étudier un objet lointain avec des détails sans précédent. Mais à quel point un tel objectif serait-il bon ? qu'est-ce que cela révélerait que nous ne pourrions pas voir avec nos propres télescopes ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse à ces questions grâce au travail de Geoffrey Landis du John Glenn Research Center de la NASA à Cleveland. Landis a analysé le pouvoir de résolution de la lentille solaire et a déterminé à quel point cela pourrait être bon.

La physique de base est simple et a été élaborée en détail par des astronomes dans le passé. La relativité générale prédit que la lumière doit se courber autour de tout objet massif. L'effet est cependant minime et n'est observable qu'avec des objets d'une masse vraiment énorme.

Malgré sa taille, le soleil ne dévie que très peu la lumière. Par conséquent, le point focal de notre lentille solaire est distant d'au moins 550 unités astronomiques. C'est au-delà de l'orbite de Pluton et de la ceinture de Kuiper, qui ne s'étend que sur 50 UA.

Néanmoins, c'est un tremplin tentant étant donné qu'il y a peu d'intérêt entre la ceinture de Kuiper et la prochaine étoile la plus proche, Alpha Centauri, distante de 280 000 UA. Il y a donc une puissante incitation à trouver un objectif plausible en visitant le foyer gravitationnel, comme une étape intermédiaire potentielle vers une future mission interstellaire, dit Landis.

Mais l'utilisation du soleil comme lentille gravitationnelle présente des défis importants. Le premier est lié au pointage et à la distance focale. L'idée est de placer un vaisseau spatial sur le côté opposé du soleil de l'exoplanète, mais il ne peut pas s'asseoir exactement au point focal où la lumière de l'exoplanète converge.

En effet, toute image serait noyée par la lumière du soleil, qui serait toujours l'objet le plus brillant du ciel. Au lieu de cela, le vaisseau spatial serait assis au-delà du point focal où la lumière de l'exoplanète formerait un anneau d'Einstein autour du soleil. C'est cet anneau que la mission devra prélever.

Mais il n'y a pas que le soleil qui peut noyer l'image. La couronne solaire, l'aura de plasma qui entoure le soleil, est également un problème, et cela s'étend bien au-delà. Pour s'assurer que l'anneau d'Einstein est plus grand que la couronne et non obscurci par celle-ci, la mission devrait s'asseoir encore plus loin, à une distance de plus de 2 000 UA, explique Landis. C'est bien plus que les 550 UA suggérées par les analyses précédentes.

Il suffit de montrer que cette mission ne pouvait avoir qu'un seul objectif. Pour pointer vers un objet différent à seulement 1 degré de distance, le télescope devrait se déplacer d'au moins 10 UA autour du soleil, ce qui équivaut à la distance de la Terre à Saturne. Une différence significative entre la lentille gravitationnelle solaire et un télescope conventionnel est que le télescope à lentille gravitationnelle n'est en aucun cas pointable, explique Landis.

Mais étant donné une cible spécifique, la puissance focale du soleil produit une vue extrêmement agrandie. Pour démontrer son potentiel, Landis utilise l'exemple hypothétique d'une exoplanète en orbite autour d'une étoile à environ 35 années-lumière. Si cette planète avait la même taille que la Terre, l'image au plan focal du soleil aurait 12,5 kilomètres de diamètre.

Ainsi, la mission n'a pu voir qu'une petite fraction de la surface de la planète. En effet, un télescope avec un détecteur d'un mètre imagerait une zone carrée d'un kilomètre à la surface de la planète, c'est-à-dire plus petite que Central Park à New York.

Pointer un télescope sur une zone aussi petite et éloignée est délicat. Il ne peut y avoir de chercheur sur un tel télescope car la cible serait invisible sauf lors de l'utilisation de la lentille de gravité. La position de l'exoplanète devra donc être connue avec une grande précision.

Même dans ce cas, le pointer ne sera pas anodin. Trouver une planète d'un diamètre d'environ 10 ^ 4 km à une distance de 10 ^ 14 km nécessite une connaissance du pointage et une précision de pointage de 0,1 nanoradians, explique Landis. La précision de pointage de pointe est aujourd'hui d'environ 10 nanoradians.

Mais ce n'est que le début. L'exoplanète se déplacera en orbite autour de son étoile. Landis analyse ce qui se passerait si l'exoplanète avait la même vitesse orbitale que la Terre, 30 km/sec. Dans ce cas, une section d'un kilomètre de la planète traversera un détecteur d'un mètre en seulement 33 millisecondes et la planète entière passera en 42 secondes.

Empêcher le flou en déplaçant le télescope pour suivre l'image sera difficile. Landis dit que le vaisseau spatial devra changer sa vitesse de 30 mètres par seconde pour suivre le rythme et qu'au cours d'une année, il suivrait une ellipse avec un demi-grand axe d'environ 150 000 kilomètres. On ne sait pas quel type de système de propulsion serait capable de cela.

L'alternative, bien sûr, est d'utiliser des techniques de traitement d'image pour supprimer le flou, ce qui est de plus en plus faisable avec la technologie d'aujourd'hui.

Un autre problème majeur est de filtrer la lumière du soleil, sans parler de l'étoile mère de l'exoplanète, qui sera des ordres de grandeur plus brillante que la cible. Le télescope devra également minimiser les interférences provenant d'autres sources telles que la lumière zodiacale. Beaucoup d'efforts ont été déployés dans ce domaine pour la génération actuelle de télescopes de chasse aux planètes. Néanmoins, dit Landis, ce n'est pas un problème trivial.

Compte tenu de tous ces problèmes, à quel point l'image d'une lentille gravitationnelle est-elle meilleure par rapport à une image sans lentille ? L'estimation de Landis est que la lentille augmente l'intensité de la lumière de l'exoplanète d'un facteur de 100 000.

C'est un avantage non négligeable. Mais cela ne peut être réalisé que si la lumière de l'exoplanète peut être bien séparée de la lumière provenant d'autres sources telles que le soleil, la couronne, l'étoile mère, etc. Et c'est une grande inconnue.

L'utilité de la mission en dépend. Compte tenu de toutes les difficultés, cela vaut-il la peine de voyager au-delà de 600 UA pour simplement gagner un facteur de 100 000 ? Est-ce assez? demande Landis.

C'est une question que les astronomes, les agences de financement et le grand public devront examiner en détail. Landis ne suggère pas qu'une telle mission devrait être entreprise maintenant ou est même possible ou abordable. Mais son analyse a certainement fait monter les enchères.

En allant plus loin, il semble difficile de sous-estimer l'importance de trouver un analogue de la Terre qui a le potentiel de soutenir la vie. L'idée de cartographier des zones de cette planète qui ne mesurent qu'un kilomètre sera une motivation puissante.

Sur Terre, ce genre d'image révélerait des îles, des rivières, des parcs, des Grandes Murailles, des autoroutes, des villes, etc. Peut-être qu'un vaisseau spatial assis au foyer gravitationnel d'une étoile lointaine révèle ces choses en ce moment à une population extraterrestre fascinée. Imagine seulement.

Réf : arxiv.org/abs/1604.06351 : Mission au Foyer Gravitationnel du Soleil : Une Analyse Critique

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