Exploration spatiale - le blog de Pierre Brisson

PLATO est l’acronyme de “PLAnetary Transits and Oscillations of stars”. C’est l’un des deux projets de missions robotiques scientifiques dont la préparation est mise en exergue par l’ESA dans son nouveau budget triennal. La mission fait partie du programme à long terme « Cosmic-Vision » de l’ESA qu’il était déjà prévu de réaliser entre 2015 et 2025 et elle vient d’être en quelque sorte « mise sur orbite » avec quelques autres, par la dernière conférence interministérielle de l’ESA (Novembre 2022). Son originalité qui doit lui permettre des performances jamais atteintes dans la détection des exoplanètes, est à souligner.

Le contexte

Pour la situer, regardons les questions auxquelles le programme Cosmic-Vision doit permettre de répondre : « Quelles sont les conditions de formation des planètes et d’émergence de la vie ? Comment fonctionne le système solaire ? Quelles sont les lois physiques fondamentales de l’Univers ? Comment l’Univers est-il né et de quoi est-il fait ? » (selon les termes du rapport de définition de mission). Dans ce cadre les diverses missions sont classées « S » pour les petites (au niveau des agences spatiale des pays membres, coût environ 50 M€), « M » pour les moyennes (ESA seule ou en partenariat, coût environ 500 M€) et « L » pour les grosses (avec direction européenne, coût environ 900 M€). Une dernière catégorie, « F » pour « Fast », comprend de petites missions qui peuvent être montées et lancées « rapidement » avec les missions M.

La première mission S est CHEOPS (lancée en 2019, exoplanètes, conçue par l’Université de Berne). Les missions M sont Solar Orbiter (M1, lancée en février 2020), Euclid (M2, énergie sombre et matière noire, lancement prévu en 2023), PLATO (M3, objet de cet article), ARIEL (M4, exoplanètes, lancement prévu en 2029) et EnVision (M5, Vénus, lancement prévu au début de la décennie 2030). Les missions L sont JUICE (L1, pour les lunes de Jupiter, lancement prévu pour l’été 2023), ATHENA (L2, observatoire à rayons X) et LISA (L3, ondes gravitationnelles). Les deux missions F prévues sont Comet Interceptor et ARRAKIHS (pour tester certains aspects du modèle standard de la cosmologie – ΛCDM – à partir de l’observation des galaxies naines et des courants stellaires de leur environnement).

A l’issue de la réunion interministérielle de Novembre 2022, l’ESA a mis en exergue JUICE et Euclid (L1 et M2), PLATO et ARIEL (M3 et M4), et Comet Interceptor (F1). On peut en déduire que ces missions vont être complétées ou développées en priorité. Je vous parlerai donc aujourd’hui de PLATO.

L’objet

L’objet principal de PLATO est d’étudier les planètes de type terrestre orbitant autour des étoiles de type solaire à l’intérieur de leur zone habitable. Ces planètes sont évidemment les plus intéressantes mais aussi plus difficiles à observer que les grosses et ceci d’autant plus qu’elles orbitent des étoiles à forte luminosité (et non pas des naines-rouges). Elles ne parcourent en effet leur orbite que sur une période proche de l’année terrestre (elles doivent être suffisamment éloignées de l’étoile pour être dans sa zone habitable) et elles n’ont qu’un effet très réduit sur leur étoile, du fait de leur différence de masse et de luminosité. Nous n’avons à ce jour identifié aucune véritable « nouvelle Terre » bien que nous ayons découvert plus de 5000 exoplanètes (5277 confirmées le 09/12/2022).

Pour atteindre son objectif, PLATO fournira, selon les termes du rapport de définition de mission, « des informations clés (rayons planétaires, densités moyennes, âges, irradiance stellaire et architecture des systèmes planétaires) nécessaires pour déterminer l’habitabilité ». Et elle sera en mesure de le faire car « elle pourra capitaliser sur les énormes développements de la photométrie de haute précision depuis l’espace et des techniques de spectroscopie ultra-stable à partir du sol qui ont été largement dominées par l’Europe au cours des 20 dernières années. » NB : la photométrie est l’étude quantitative de la transmission du rayonnement lumineux.

Comme évoqué, l’étude de PLATO ne se limitera pas à la planète seulement mais elle portera aussi sur l’étoile dont elle dépend et le système planétaire auquel elle appartient. Utilisant la technique d’« astérosismologie » , le télescope va pouvoir déduire l’âge de l’étoile du fait de son activité. A noter que parler de petites exoplanètes oblige à ce que l’étoile autour de laquelle elles tournent, ait pour nous une forte visibilité (autrement leur influence sur elle ne serait pas perceptible). Autrement dit, on ne va rechercher que les étoiles de cette catégorie qui ont une magnitude apparente (« V ») élevée, donc qui sont relativement proches de notre système solaire. De ce point de vue on va se « focaliser » sur les étoiles de magnitude V<11 à V=13 (NB : Hubble « voit » jusqu’à V=31 et l’œil nu jusqu’à V=6). Ce qui n’exclut bien sûr pas que l’on étudie les étoiles plus lumineuses et certaines moins lumineuses si elles paraissent intéressantes. L’objet secondaire de PLATO, clairement énoncé, est bien d’étudier toute étoile ou planète qui serait accessible à l’observation du fait des capacités disponibles. Cela permettra notamment de compléter la base de données de Gaia. L’étude d’une multitude de systèmes permettra de les comparer les uns aux autres et à notre propre système solaire et permettra de mieux comprendre ce qui fait la spécificité de ce dernier.

Toute planète jugée « intéressante » pourra faire ensuite l’objet d’une étude plus poussée par des télescopes plus puissants dont nous disposons tels que le JWST ou l’E-ELT (quand il sera prêt). On peut espérer ainsi analyser leur atmosphère par spectrographie lors des transits.

Les moyens

Le moyen utilisé principalement sera donc la photométrie. Les variations d’intensité de rayonnement permettront l’étude des transits des planètes (devant l’étoile et lors de leur passage derrière l’étoile), aussi bien que l’évaluation de leur albedo, et l’astérosismologie de leur étoile. Ce sera la première fois qu’on pratiquera cette technique systématiquement. Il s’agit de suivre les oscillations de luminosité de l’étoile pour en déduire son activité de convection interne et donc sa composition aussi bien que son stade d’évolution (son âge). On attend plusieurs milliers de courbes lumineuses planétaires et de 300.000 à 1.000.000 de courbes lumineuses stellaires. La précision de la photométrie permettra aussi l’utilisation du TTV (Transit Timing Variation) c’est-à-dire l’étude de l’éventuelle perturbation de la durée d’un transit par le passage d’une autre ou de plusieurs autres planètes (les premiers TTV ont été utilisés avec KEPLER mais pour de grosses planètes).

Les missions précédentes

PLATO n’est évidemment pas le premier observatoire dédié à la détection des exoplanètes. Il y a eu notamment KEPLER, TESS et CHEOPS. Mais c’est l’observatoire auquel on va donner le plus de chances de détecter une nouvelle Terre dans la proximité de la Terre. KEPLER (NASA) devenue K2 après la perte de ses roues de réaction (et jusqu’à sa fin, en 2019), était beaucoup plus limité dans sa sensibilité. Comme un crayon lumineux, il explorait un tout petit secteur du ciel (0,28%), 20 fois plus petit que celui de PLATO mais sur une très grande profondeur (3000 années-lumière), et sans pouvoir focaliser longtemps une cible. Il ne pouvait donc voir que de grosses planètes orbitant très près de leur étoile. TESS (« Transit Exoplanet Survey Satellite ») également conçu et réalisé par la NASA, était plus précis mais il ne travaillait que sur les étoiles les plus brillantes (et plus brillantes que celles que va voir PLATO). Surtout il passait d’une bande d’observation à l’autre tous les 27 jours et ne pouvait donc distinguer que les planètes à plus courtes périodes orbitales sauf bien sûr dans la région polaire puisque c’est là que se rejoignent toutes les bandes d’observations. Mais cette région polaire ne représente que 2% de la voute céleste. Sa mission, prolongée, s’est terminée en Septembre 2022. CHEOPS est une mission de suivi et de caractérisation qui n’a pas vocation à découvrir de nouvelles exoplanètes mais à mieux les comprendre (période orbitale, densité…). Elle est en cours, jusqu’à la fin du premier semestre 2023.

Le fonctionnement

PLATO va pouvoir observer la même grande surface sur la durée d’au moins une année terrestre. Elle  pourra donc observer au moins deux transits de la même planète de type terrestre. Cela elle le doit à un dispositif très ingénieux, 24+2 petits télescopes de 20 cm de diamètre (ses « yeux ») qui fonctionnant ensemble, donneront l’équivalent d’un miroir primaire de 100 cm et couvriront constamment en surface sur la voûte céleste 10.000 fois la surface de la Lune soit 2232 degrés carré (NB : La totalité du ciel fait 41253 deg2). Elle maintiendra cette couverture à partir d’une orbite large autour du point de Lagrange L2, donc libre de toute interférence solaire ou terrestre (TESS et CHEOPS sont sur des orbites terrestres). Chaque télescope est équipé d’une caméra (24, « normale », 2 « rapides »). En réalité sur les 26 télescopes/caméras, 2 ont un rôle particulier, celui de maintenir le bon positionnement de l’instrument (attitude) et son orientation. Outre que l’utilisation de tous ces télescopes/caméra ensemble donnera un champ de vision plus large, elle permettra d’améliorer le ratio signal/bruit (donc de distinguer des déplacements/fluctuations plus petits que jamais). Chaque télescope a un champ de vision de 1037 deg2 et on parviendra aux 2232 degrés carrés collectifs en les combinant en quatre groupes de 6. Accessoirement ils observeront les astres les plus brillants (V de 4 à 8). Le pointage pourra être maintenu pendant plus d’un an mais il devra y avoir, sans quitter l’objectif, rotation des panneaux solaires de 90° tous les trois mois afin que la surface de ces panneaux puisse garder la meilleure orientation par rapport au Soleil. Les prises de vue des 24 caméras « normales » se feront toutes les 25 secondes, celles des caméras rapides, toutes les 2,5 secondes. L’observatoire fonctionnera pendant au moins 3 ans soit 2 ans d’observations primaires suivie d’une année d’observation spécifique sur les points les plus intéressants (confirmation de transits) ou bien deux fois deux ans. NB : en principe, le signal d’une planète n’est pas confirmé comme scientifiquement exploitable à moins de trois transits. Mais la durée de vie possible est plus longue (6,5 ans) « au cas où » (il y a souvent eu des extensions de missions) et, toujours « au cas où », les consommables seront fournis pour 8 ans. Le lancement est prévu en 2025 ou 2026, avec un « petit » problème car il était prévu à ce niveau une coopération avec les Russes (utilisation d’une fusée Soyouz !).

L’observatoire spatial sera complété par une installation au sol (observatoires terrestres existant) qui mènera des observations spectroscopiques sur les cibles identifiées et qui, par la détermination de la vitesse radiale de l’étoile, vont pouvoir évaluer la masse de la planète.

Le contracteur principal de l’ESA est la société allemande OHB System AG qui travaille avec Thales Alenia Space (France et Grande Bretagne) et Beyond Gravity (Zürich, Suisse). NB : Beyond Gravity est l’ancienne RUAG Space (changement de nom en Mars 2021). Pour PLATO, Beyond Gravity fournira le système qui utilisera l’énergie solaire (panneaux solaires de 30 m2). Les panneaux solaires procureront aussi l’isolation thermique aux caméras et aux équipements électroniques.

La mission est préparée et sera suivie par un « consortium » de quelques 350 scientifiques de 23 pays (européens auxquels se sont joints quelques américains et brésiliens) : Allemagne, Australie, Autriche, Belgique, Brésil, Canada, Chili, Danemark, Espagne, Etats-Unis, France, Hongrie, Italie, Norvège, Pays-Bas, Pologne, Portugal, Roumanie, Royaume Uni, Slovénie, Tchéquie, Suède, Suisse. Le PI (Principal Investigator, chef de projet) est actuellement la Professeure Heike Rauer de la DLR (agence spatiale allemande). Elle a succédé en 2012 au Dr Claude Catala de l’Observatoire de Paris. Les co-PI sont le Dr Miguel Mass-Hess (CSIC INTA, Madrid) et la Dre Isabella Pagano (INAF, Italie). Les participants suisses au Consortium sont membres de l’Université de Berne (notamment le Professeur Willy Benz) et de l’Université de Genève (notamment le professeur Stéphane Udry).

Le financement est fourni par les pays membres de l’ESA. Reste le problème, ennuyeux, du lancement ! Mais après les deux premières années d’observation, on aura peut-être enfin découvert et certifié une vraie nouvelle-Terre ? Je suis impatient !

Il y en a encore pour « un peu » de temps ! En attendant je vous souhaite une belle et bonne année 2023.

Illustration de titre : l’observatoire spatial PLATO, vue d’artiste, crédit ESA/ATG medialab.

Liens :

https://platomission.com/

https://platomission.files.wordpress.com/2018/05/plato2-rb.pdf

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Plato_factsheet

https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2019/07/aa35269-19/aa35269-19.html

 

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Index L’appel de Mars 22 11 30

7 réponses

  1. L’univers est immense et, à vous lire, on a une impression de dispersion des efforts. Chacun promeut sa propre idée, obtient des capitaux dont l’usage serait plus utile à la colonisation de mars. Trouver une planète jumelle de la terre est un rêve mais dans quelle mesure avons nous les moyens de prouver quelle est intéressante? Peut-être y a-t-il des planètes habitables avec atmosphère, gravité supportable à une distance lointaine de l’étoile selon l’énergie de celle-ci ou d’autres plus proches, en comparaison de la terre, d’une étoile un peu faiblissante. Quant à obtenir des certitudes sur la gravité, la composition de l’atmosphère, malgré les gros progrès, il vaudra peut-être mieux ne pas être trop affirmatif trop vite. Il est évident que si on quitte un jour le système solaire il sera souhaitable de bien savoir à l’avance où on va mettre les pieds mais, pour le moment, qui trop embrasse mal étreint.
    Meilleurs vœux pour l’année nouvelle et que 2O23 nous apporte de bonnes surprises concernant la lune et mars et surtout de puissants et nouveaux modes de propulsion des fusées!

    1. Désolé Martin mais je ne suis pas d’accord avec vous.
      Il est important pour moi de mieux connaître notre Univers, je dirais même de tout faire pour mieux le connaître c’est à dire en fait le comprendre. C’est cela qui éclaire mon désir de Mars, qui donne une troisième dimension à mon souhait ardent que l’homme aille un jour s’y installer. Pour moi, comme je l’écrivais la semaine dernière, Mars n’est pas une fin en soi mais une porte dont le franchissement est nécessaire.
      Acquérir des connaissances est un travail ardu. Il s’agit de ne pas rater une occasion, l’opportunité de saisir une progression dans un domaine voisin du sien pour construire un raisonnement, déduire une évolution possible et progresser.
      Le problème pour moi n’est pas la multiplication des projets, on doit prendre tout ce que l’on peut saisir; c’est plutôt une insuffisance de financement. Il y a tant de projets passionnants! Il est cruel de penser que l’on ne fait pas tout ce qu’on pourrait faire, maintenant!
      Je vous adresse mes meilleurs vœux.

    2. @ Martin
      Quel serait l’intérêt de découvrir une planète ressemblant à la nôtre ?
      S’y rendre au cas où la Terre deviendrait inhabitable ? Peut-être mais c’est peu probable. Du moins, espérons-le ou faisons semblant de l’espérer.

      Par contre, ce serait certainement intéressant, sinon de communiquer avec ses habitants, du moins de les écouter.

      Cela dit, à supposer qu’on reçoive un jour, sinon un message, du moins la preuve d’une émission contenant de l’information (au sens où Wever* l’entendait) la probabilité d’une réponse à envoyer est infiniment peu probable.
      Si on se base sur la nôtre, l’espérance de vie d’une civilisation communicante n’est que de l’ordre du siècle avant qu’elle s’autodétruise par surpopulation et par les fléaux engendrés par celle-ci. Cent ans pour recevoir un message d’une civilisation située à cent année-lumière de nous et cent autres années pour qu’ils reçoivent notre réponse, cela fait deux siècles qui seraient suffisants pour que cette réponse soit reçue post mortem.

      * Wever n’était que l’assistant de Shannon mais c’est lui qui avait eu l’idée de la théorie de la communication.

  2. Un instrument de mesure remarquable, s’il en est.
    Mais j’ai une question. Est-il capable de détecter et d’analyser des radiations émises par l’atmosphère d’une planète ?

    Je m’explique.

    Tout corps simple est caractérisé par son spectre d’émission. Un exemple connu du public est la double raie jaune du sodium rendue célèbre par nos éclairages publics à base de lampes SOX.

    Si un corps simple est illuminé par une radiation monochromatique, il réémet un spectre symétrique formé de part et d’autre de la fréquence d’illumination et fonction de la nature du corps illuminé. C’est ce qu’on appelle le spectre Raman. Questionnée sur le sujet, la NASA m’a confirmé que l’atmosphère terrestre réémet DES spectres Raman dus à son illumination par le Soleil et dont un est majoritaire.
    Le Plato serait-il assez sensible et sa résolution serait-elle assez fine pour détecter un éventuel spectre Raman émis par une exoplanète ?
    Sinon l’ESA, peut-être l’EPFL pourrait-elle donner une réponse ?

    1. Je pense que le PLATO ne sera pas suffisamment sensible et que c’est pour cela qu’on devrait avoir recours à des télescopes plus puissants comme le JWST pour identifier la composition des atmosphères (lors du transit secondaire, c’est à dire lors du passage derrière l’étoile).
      Ceci dit je ne pense pas qu’on puisse utiliser la spectrographie Raman puisque dans ce cas la source doit être monochromatique et que la lumière émise par l’étoile avant d’être réfléchie par la planète ne l’est évidemment pas. Maintenant, si quelqu’un de compétent à la NASA prétend que c’est possible, nous devons a priori lui faire confiance (et ce serait bien d’avoir ses explications).

      1. Pour questionner la NASA, j’ai simplement rempli le formulaire ad hoc qu’ils mettent souvent à la fin de leurs articles. Moins d’un mois plus tard, j’ai reçu un e-mail disant seulement que l’atmosphère terrestre renvoyait plusieurs spectres Raman à cause de la multichromaticité du Soleil et du mélange de gaz qui forment notre atmosphère. Néanmoins, un de ces spectres représente à lui seul un bon quart de l’intensité totale.
        Ils n’ont rien répondu à propos d’une éventuelle application de la spectro Raman pour analyser l’atmosphère des exoplanète. Même si la réponse est incomplète, je trouve déjà remarquable qu’une aussi grosse organisation répondent à des questions posées par des particuliers, même pas américains.
        Si c’était exploitable, ce serait pratique car ça permettrait d’analyser l’atmosphère de ces planètes en continu et pas seulement à des moments précis de leurs orbites, du moins pour celles dont l’écliptique fait un angle d’au moins 45 deg par rapport à la droite Terre-étoile.

  3. On peut essayer de sonder l’avenir mais c’est très difficile. Pourtant on peut commencer en espérant que le futur apportera des progrès et permettra quand la nécessité se fera pressante d’acquérir des certitudes. Je veux dire si la terre est détruite et elle sera dans un futur lointain, on pourra in extremis et pour un petit nombre se résoudre à partir pour un très long voyage en ayant un but fiable et de l’espoir. On peut donc espérer que plato mettra en évidence des insuffisances qui seront ensuite rectifiées et apportera sa pierre à la quête de quelques autres comme le JWST ou Hubble… Tous ces efforts ne sont qu’un début .
    Cependant la conquête de mars me semble comporter plus de sujets exaltants parce que plus réalisables assez rapidement: y a-t-il eu de la vie? Par extraordinaire resterait-il quelques organismes vivants? Y a-t-il encore de l’oxygène dans certaines roches comme les péridotites? Sera-t-il possible d’exploiter des minerais? la nature et l’histoire géologique du sous-sol et surtout pourra-t-on établir une colonie self-suffisante et durable? Là-aussi il y a encore du chemin à parcourir mais on y arrivera.

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À propos de ce blog

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l’Association Planète Mars (France), économiste de formation (University of Virginia), ancien banquier d’entreprises de profession, planétologue depuis toujours

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