La mission du télescope spatial Nancy Grace Roman de la Nasa repose sur un double pari : d'un côté, une ambition scientifique inédite visant à multiplier par 15 le nombre d'exoplanètes connues ; de l'autre, une démonstration technologique cruciale qui ouvrira la voie au prochain grand observatoire dédié à la recherche de vie ailleurs et à la photographie, pour la toute première fois, de planètes semblables à la nôtre.

Décryptage d'une mission aux multiples facettes, avec Bertrand Mennesson, directeur scientifique adjoint de la mission Roman au Jet Propulsion Laboratory de la Nasa.

Un bond spectaculaire dans le recensement des exoplanètes

D'un point de vue scientifique, Roman utilisera trois méthodes complémentaires, la microlentille gravitationnelle, les transits et l'imagerie directe, dans le cadre d'une recherche à grande échelle qui devrait permettre de découvrir environ 100 000 nouvelles exoplanètes, un bond spectaculaire par rapport aux quelque 8 284 actuellement répertoriées par l'encyclopédie des exoplanètes.

La microlentille gravitationnelle : traquer les mondes les plus discrets

Roman surveillera des centaines de millions d'étoiles à la recherche de minuscules variations de luminosité qui signaleraient un phénomène de microlentille gravitationnelle. Ce phénomène de déviation de la lumière se produit lorsque deux étoiles sont très proches de notre point d'observation : la lumière de l'étoile la plus éloignée se courbe en traversant l'espace-temps déformé par la masse de l'étoile la plus proche. Si l'alignement est particulièrement serré, l'étoile la plus proche agit comme une lentille cosmique, focalisant et amplifiant la lumière de l'étoile d'arrière-plan.

Les planètes orbitant autour de l'étoile au premier plan peuvent également modifier cette lumière, agissant comme leurs propres microlentilles, un effet que les astronomes perçoivent sous la forme d'un pic de luminosité caractéristique. Cette technique est spécialisée dans la détection de planètes semblables à celles de notre Système solaire. Des mondes aussi légers que Mars, situés dans la zone habitable de leur étoile ou au-delà, sont susceptibles d'être détectés.

Ces planètes sont aujourd'hui extrêmement difficiles à détecter, mais les astronomes espèrent en découvrir beaucoup plus grâce à Roman, qui devrait en révéler plus de 1 000 par cette seule méthode.

Les transits : la moisson statistique

Les scientifiques analyseront également les mêmes données pour détecter l'effet inverse : de légères baisses de luminosité causées par le passage d'une planète devant son étoile, ou transit. Cette méthode est particulièrement efficace pour repérer les grandes planètes orbitant très près de leur étoile, car elles bloquent alors une part importante de la lumière stellaire. Roman devrait ainsi découvrir environ 100 000 de ces mondes gigantesques et chauds, augmentant considérablement le catalogue des planètes connues.

Au-delà de la simple détection, les astronomes pourront étudier l'atmosphère de quelques milliers de ces planètes en transit. Certains systèmes présentent en effet deux épisodes de diminution de luminosité : un premier lorsque la planète passe devant son étoile, un second, plus faible, lorsqu'elle passe derrière. En suivant l'évolution de la luminosité de la planète au cours de son orbite, Roman pourra mesurer les variations de température et le comportement climatique de milliers de mondes lointains.

Le coronographe : une démonstration technologique tournée vers l'avenir

Au-delà de son volet purement scientifique, la mission Roman comporte une dimension stratégique majeure : celle d'une démonstration technologique destinée à préparer l'Observatoire des mondes habitables (HWO), le futur télescope spatial de la Nasa conçu pour photographier, pour la toute première fois, des planètes semblables à la Terre.

Un instrument au service d'une nouvelle génération de télescopes

Roman testera ainsi de nouvelles technologies d'imagerie directe pour photographier des exoplanètes et des disques de poussière autour d'étoiles proches, avec une sensibilité jusqu'à 1 000 fois supérieure à celle des observatoires actuels. Grâce à son coronographe, l'instrument observera ces mondes en lumière visible, ce qui permettra de détecter des planètes plus petites, plus anciennes et plus froides que celles habituellement révélées par l'imagerie directe, nous rapprochant ainsi considérablement de l'objectif ultime : photographier de véritables jumelles de la Terre.

Comme l'explique Bertrand Mennesson, directeur scientifique adjoint de la mission Roman au Jet Propulsion Laboratory de la Nasa, ce coronographe est « un système d'optique, de masques, de miroirs auto-réfléchissants et de capteurs conçu pour démontrer les technologies les plus avancées jamais envoyées dans l'espace pour l'imagerie directe des planètes autour d'autres étoiles. Il bloquera l'éclat des étoiles et permettra aux scientifiques d'observer la faible lumière réfléchie par les planètes en orbite autour d'elles ». L'instrument vise en particulier à photographier des mondes géants plus anciens et plus froids, sur des orbites plus resserrées que celles des super-Jupiters chauds et jeunes principalement révélés jusqu'ici par l'imagerie directe.

En octobre 2024, la Nasa intègre le coronographe au porte-instruments du télescope Nancy Grace Roman, dans une salle blanche du Centre spatial Goddard de la Nasa. © Nasa

Une démonstration, pas un instrument scientifique classique

Il est essentiel de comprendre le statut particulier de cet instrument : le coronographe est officiellement décrit comme une démonstration technologique plutôt qu'un instrument scientifique à part entière. « Le succès de la mission Roman ne dépend pas de celui du coronographe, qui n'est officiellement pas un instrument scientifique, précise Bertrand Mennesson. Nous n'avons formellement qu'un seul ensemble d'objectifs techniques à démontrer dans l'espace. »

Sur le plan de la maturité technologique, l'instrument se situe actuellement au niveau TRL 6. « Nous avons jusqu'ici démontré, par un ensemble de tests et de simulations au sol, que nous devrions faire mieux que ce qui est requis, sauf mauvaise surprise », explique le scientifique. Une fois démontrée depuis l'espace, « nous espérons faire passer la coronographie spatiale à haut contraste et à correction active à un niveau de TRL 9. » Et d'ajouter, non sans enthousiasme : « Nous espérons aussi faire de la science avec le coronographe, même si ce n'est pas officiellement requis. Ce sera un bonus, et la meilleure façon de démontrer que la technologie fonctionne ! »

Des objectifs de performance particulièrement ambitieux

D'un point de vue technique, l'exigence officielle fixée à l'instrument « est d'atteindre un rapport de flux planète/étoile - ou contraste astronomique - de 10⁻⁷, l'étoile étant alors 10 millions de fois plus brillante que la planète, à une séparation de 0,3 seconde d'arc », détaille Bertrand Mennesson. « Mais nous espérons atteindre un rapport supérieur à 10⁻⁸ à 0,15", voire descendre jusqu'à quelque 10⁻⁹. », dit-il.

Ce dernier seuil n'est pas choisi au hasard, comme le souligne le scientifique : « Atteindre un contraste d'environ 10⁻⁹ (l'étoile étant alors un milliard de fois plus brillante que la planète) est un chiffre magique, car il correspond approximativement au flux visible de Jupiter autour du Soleil, exactement 2 × 10⁻⁹ lorsque la planète est observée en quadrature. Cette performance nous permettrait, pour la première fois, d'observer directement de véritables analogues de Jupiter autour d'étoiles de type solaire dans le spectre visible. »

Le pari technologique de cette phase de démonstration consiste précisément à prouver « qu'une source 10 millions de fois plus faible que l'étoile pourrait être détectée dans le visible à une séparation de 0,3 seconde d'arc, pour une étoile de magnitude 5 ou plus brillante. Il est important de noter que cela ne signifie pas nécessairement qu'une telle source sera détectée, mais que si elle existe, nous aurons la capacité de la détecter », souligne Bertrand Mennesson. Une nuance essentielle qui distingue une démonstration de capacité d'une garantie de découverte.

Un programme d'observation resserré

L'équipe du coronographe effectuera une série d'observations prévues pendant trois mois au total, réparties sur les 18 premiers mois d'opérations de la mission. « Nous avons pour l'instant la liste des observations du coronographe pour les six premiers mois de la mission, réparties en une dizaine de campagnes (groupes d'étoiles cibles et leurs calibrateurs, de quelques jours chacune) », précise le scientifique.

Les priorités sont clairement établies, ajoute-t-il : « Nous allons regarder des systèmes déjà connus, avec des planètes jeunes et brillantes, pour vérifier que l'instrument marche. Nous allons aussi le pousser sur quelques planètes déjà détectées par la méthode indirecte de vélocimétrie radiale, mais encore jamais observées directement en imagerie visible, car trop peu lumineuses jusqu'ici. »

Dans une salle blanche du Jet Propulsion Laboratory de la Nasa (octobre 2023), la scientifique Vanessa Bailey se tient derrière le coronagraphe Roman, qui a subi des tests au laboratoire. © Nasa

Un tremplin technologique vers l'Observatoire des mondes habitables

L'enjeu dépasse très largement le cadre de la mission Roman elle-même. « De nombreuses technologies seront directement transposables à l'Observatoire des mondes habitables », souligne Bertrand Mennesson.

Parmi elles figurent la « première démonstration en espace de détection et de contrôle actifs du front d'onde, la capacité à détecter et corriger de minuscules variations d'aberration en temps quasi réel à l'aide de grands miroirs déformables, ce que l'on appelle l'optique adaptative en espace, ainsi que l'utilisation de détecteurs visibles ultra-sensibles, à comptage de photons, pour détecter de manière fiable des planètes très peu lumineuses », détaille-t-il.

Roman permettra également « de valider dans l'espace nos modèles de stabilité opto-thermo-mécanique du télescope et les effets de polarisation, qui ne peuvent être vérifiés qu'avec un observatoire entièrement intégré et fonctionnant dans l'environnement spatial », ajoute le scientifique.

Dans l'ensemble, conclut Bertrand Mennesson, « Roman constitue un tremplin vers le HWO, entre la situation actuelle avec les télescopes spatiaux existants et celle à laquelle nous devrons parvenir à l'avenir avec le HWO, qui exigera des performances de contraste encore plus élevées, de l'ordre de 10⁻¹⁰ pour une séparation d'environ 0,1". »

Combiner les méthodes : vers une vision cohérente de la galaxie

Si l'imagerie directe capte l'attention par son potentiel spectaculaire, son champ d'application reste volontairement restreint. « L'imagerie directe ne sera employée que pour un petit nombre d'étoiles et de planètes proches, peut-être quelques dizaines », précise Bertrand Mennesson.

C'est donc ailleurs que se jouera la grande cartographie statistique de la galaxie, explique-t-il : « L'analyse statistique demande de grands nombres d'objets et se fera à partir des résultats venant de l'étude des données de microlentille et de transits obtenus avec le WFI. Nous avons des équipes scientifiques dédiées à cette interprétation, à la fois à la Nasa et à l'extérieur, dans le milieu académique. »

Vers un jumeau du Système solaire, ou une Terre 2.0 ?

Roman pourrait-il révéler un système planétaire véritablement analogue au nôtre, avec des planètes rocheuses proches de l'étoile et des géantes gazeuses plus éloignées, à l'image de Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter et Saturne ? « A priori non, répond Bertrand Mennesson. Roman ne sera pas capable de découvrir toutes ces planètes dans un système analogue au nôtre. »

L'instrument pourrait en revanche détecter des géantes gazeuses comparables à Jupiter autour d'étoiles proches analogues au Soleil, nuance-t-il, « suivant la performance exacte de l'instrument démontrée dans l'espace, la brillance exacte de ces planètes (ont-elles des nuages réfléchissants ou non ?) et la phase à laquelle nous observons la lumière qu'elles réfléchissent, comme les phases de la Lune qui la rendent plus ou moins brillante au cours du temps. »

Quant à l'existence d'une véritable Terre 2.0, c'est-à-dire une planète de taille similaire à la nôtre, à la bonne distance de son étoile pour abriter de l'eau liquide, la méthode indirecte des microlentilles avec Roman « est capable d'estimer le rayon de la planète et la distance à son étoile, et pourrait détecter des planètes de taille similaire à la Terre, à la bonne distance de son étoile », indique Bertrand Mennesson.

Mais confirmer véritablement l'habitabilité d'un tel monde nécessitera d'aller plus loin, prévient-il : « Pour véritablement détecter de la vapeur d'eau dans l'atmosphère et des océans de surface, il faudra a priori de l'imagerie directe, comme avec le coronographe de Roman, mais encore environ cent fois plus performante. »

La microlentille gravitationnelle permettra également de sonder une autre catégorie de mondes insolites : les planètes libres, ces mondes errants sans étoile qui vagabondent seuls dans l'espace interstellaire. « Oui, absolument, confirme Bertrand Mennesson. C'est un des objectifs, de contraindre leur abondance. »

L'inattendu : la vraie promesse de Roman

Au-delà des catégories de planètes déjà envisagées, c'est peut-être sur le terrain de l'imprévisible que Roman se révélera le plus fascinant. Existe-t-il des exoplanètes qui défient complètement notre compréhension actuelle de la formation planétaire, des mondes qui, en théorie, ne devraient pas exister ?

L'histoire récente de la découverte des exoplanètes offre à ce sujet un précédent éclairant. « Les premières planètes découvertes ont d'emblée défié complètement nos théories sur la formation des planètes, rappelle Bertrand Mennesson, car on a d'abord trouvé des géantes chaudes, situées très près de leur étoile, à une distance comparable à celle du Soleil à Mercure. On a ensuite expliqué cela par les théories de migration, qui décrivent comment une planète peut se déplacer vers son étoile et se retrouver sur une orbite différente de celle où elle s'est formée. »

Ce précédent nourrit une conviction, conclut-il : « L'histoire récente nous a donc révélé des observations qui ont ensuite informé les théories. Je pense que Roman fera pareil, et nous ne pouvons pas encore savoir aujourd'hui de quelle manière. C'est sans doute le plus intéressant avec Roman : ces découvertes que l'on ne peut même pas encore prévoir. »

C'est peut-être là, dans cette part d'inconnu assumée, que réside la promesse la plus excitante de la mission Roman, bien au-delà des 100 000 exoplanètes qu'elle s'apprête à révéler.