Premier bilan de TESS : des centaines d'exoplanètes en attente de confirmation

Vue d'artiste du satellite TESS devant une étoile et sa planète. © Nasa
Un peu moins de six mois après la fin de sa mission nominale, quel est le bilan du satellite TESS, le tout dernier chasseur d’exoplanètes de la Nasa ?

Le 19 avril 2018, depuis la base de cap Canaveral, une fusée Falcon 9 de SpaceX expédiait en orbite le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la Nasa. Tandis que son prédécesseur Kepler avait patiemment fouillé les mêmes quelques arpents du Cygne, TESS avait pour mission de traquer les exoplanètes sur pratiquement toute la voûte céleste ! Son objectif prioritaire était clair : identifier 50 planètes de moins de 4 rayons terrestres avec une masse mesurée précisément. Mais la durée de sa mission était courte, deux ans seulement. Alors qu’elle est désormais prolongée jusqu’en septembre 2022, où en sommes-nous ?

« TESS n’est plus très loin d’atteindre son objectif », s’enthousiasme Juan Cabrera, du DLR (l'agence spatiale allemande). Ce spécialiste de la détection des exoplanètes depuis l’espace, impliqué dans la future mission Plato de l’ESA, souligne que tout le monde est très satisfait des résultats de la mission américaine. De fait, TESS a identifié à ce jour 36 planètes du calibre de Neptune ou plus petites, avec des masses comprises entre 1,6 et 39 masses terrestres. Et une bonne vingtaine d’autres du même genre attendent encore d’être pesées.

Les trouvailles de TESS

Des exemples ? On pourrait citer ce système de trois planètes découvert autour de la naine rouge L 98-95, à 35 années-lumière. Avec 0,8, 1,35 et 1,57 rayon terrestre, ces trois voisines d’au plus 2,4 masses terrestres (pour celle du centre) forment un système très compact. Sa planète la plus extérieure, baptisée L 98-95 d, tourne en effet en seulement 7,5 jours autour de son étoile.

Il y a aussi TOI-700d, une planète à peine 14 % plus grande que la Terre et qui tourne en 37 jours autour de son étoile de 0,4 masse solaire. Elle est distante d’environ 100 années-lumière, dans la constellation de la Dorade, et intéresse particulièrement les chercheurs parce qu’elle reçoit 86 % de l’énergie que la Terre reçoit du Soleil. Autrement dit, de l’eau pourrait y couler. Sa masse est encore inconnue, mais selon les premières modélisations, elle serait rocheuse et présenterait toujours la même face à son étoile. TOI-700b, de la taille de la Terre, l’accompagne en tournant en 3 jours autour de la naine, ainsi que TOI-700c qui, avec ses 2,6 rayons terrestres, est probablement une planète gazeuse.

Vue d'artiste de TOI-700d, une planète qui pourrait être tempérée. © Nasa

AU Microscopii b figure aussi sur ce tableau de chasse. En orbite autour d’une jeune naine rouge (moins de 30 millions d’années !) entourée d’un disque de débris, à seulement 32 années-lumière du Soleil, cette Neptune fascine les astrophysiciens qui espèrent grâce à elle mieux comprendre la formation des planètes. Ce système est en effet l’équivalent, en moins massif et plus rapide (la planète tourne en 9 jours), du célèbre système de Bêta Pictoris avec son disque et ses deux planètes de 3,3 et 21 années de période.

LTT 1445 A b, enfin, est une planète 40 % plus grande que la nôtre qui tourne en 5 jours dans un système de trois naines rouges. Sa proximité – seulement 20 années-lumière, en fait la deuxième planète à transit la plus proche jamais découverte. Une opportunité exceptionnelle pour étudier l’atmosphère d’une exoplanète rocheuse…

Des cibles pour le JWST

Pour le grand public bien sûr, ces exoplanètes peuvent avoir un air de déjà-vu. C’est que l’extraordinaire diversité du monde des exoplanètes a déjà été largement défrichée par Kepler au cours de sa longue mission (2009-2018). « Pour les astronomes qui ont immédiatement succédé à Galilée, il n’a pas été facile de faire des découvertes marquantes ! » s’amuse l’astrophysicien Guillaume Hébrard (IAP). Mais pour les chercheurs, elles ont un intérêt particulier : comme TESS cible d’abord les étoiles brillantes et proches, il découvre des mondes qui pourront être étudiés bien plus en détail que ceux repérés par Kepler.

« Avec sa stratégie d’observation qui consiste à passer tous les 27 jours d’un champ à l’autre, pour couvrir un hémisphère en un an, TESS est sensible aux planètes à période courte, qui passent souvent devant leur étoile », ajoute Franck Selsis, du Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux. C’est un avantage supplémentaire lorsqu’on cherche à détecter des signaux faibles, par exemple des signatures chimiques dans des exoplanètes lointaines.

TESS couvre des secteurs rectangulaires (en bleu) de part et d'autre de l'écliptique (bande grise). Il en
change tous les 27 jours, mais ces secteurs se recouvrent partiellement. Les étoiles de la zone en violet
sont ainsi observées pendant 351 jours d'affilée. Ici, le cercle en tirets délimite la zone d'observation
continue du futur télescope spatial JWST.
© TESS@MIT

Ainsi, l’équipe du futur satellite Ariel « compte sur TESS pour lui fournir des cibles, notamment des Neptune proches de leur étoile », poursuit le chercheur. Le futur télescope spatial JWST, qui doit être lancé le 31 octobre 2021, pointera aussi à coup sûr les exoplanètes révélées par TESS. Et la moisson finale promet d’être belle puisqu’à ce jour près de 2500 étoiles figurent dans son catalogue des « TESS Objects of Interest » (TOI). Il s’agit, en quelque sorte, du panier à champignons du satellite : ses équipes y mettent la récolte de TESS, ces étoiles dont la baisse d'éclat périodique laisse soupçonner la présence de planètes, avant que celles-ci soient confirmées ou non par d’autres moyens au sol.

Comme ses prédécesseurs Corot (2007-2014) et Kepler, TESS ne peut en effet pas déterminer à lui seul la masse des planètes qu’il repère (sauf exception dans certains systèmes planétaires). La méthode des transits, qu’il utilise, consiste à mesurer précisément la baisse d’éclat apparent que subit périodiquement une étoile lorsqu’un astre en orbite passe devant elle. Cette méthode permet de mesurer le rayon de ces objets ; plus la baisse d’éclat est faible, plus le rayon est petit. Mais à la fin des fins, c’est bien la masse qui permet de trancher sur leur nature. C’est d’ailleurs pour cette raison que TESS n’a pas tout à fait atteint son objectif de 50 planètes dans le temps imparti : la mesure des masses se fait avec des télescopes au sol. « Or en 2020, à cause de la pandémie de coronavirus, beaucoup d’observatoires à travers le monde sont restés fermés plusieurs mois », explique Guillaume Hébrard.

Séparer le bon grain de l’ivraie

Reste que si l’on compare les 2500 planètes soupçonnées (les fameux TOI) aux simulations de découvertes faites avant le lancement, « TESS se comporte comme prévu », répète Juan Cabrera. En 2017, l’équipe du satellite américain anticipait un total de découvertes d’environ 1600 planètes autour de ses 200 000 étoiles cibles prioritaires. Les TOI ne seront pas toutes confirmées comme des planètes, mais à la fin, le compte devrait y être. « La moitié des Kepler Objects of Interest n’était en fait pas des planètes », se souvient Guillaume Hébrard.

Estimation du nombre de découvertes potentielles de TESS, par taille, en 2017. En rouge, les objets détectés autour des 200 000 cibles
prioritaires de TESS. En bleu, celles autour des autres étoiles présentes dans son champ de vue. Les EBs, HEBs, BEBs sont des étoiles
binaires (faux-positifs).
© Sullivan et al. 2017

Avec le télescope de 1,93 m de l’observatoire de Haute-Provence (OHP), équipé du spectromètre Sophie, Guillaume Hébrard est l’un des nombreux astronomes à travers le monde qui assurent le suivi des TOI. « Ici, nous nous concentrons sur les planètes géantes. Le suivi des petites planètes se fait avec des télescopes plus gros équipés de spectromètres plus sensibles, comme Harps au Chili », précise-t-il. « Nous tombons parfois sur des faux positifs, des objets repérés par TESS comme des planètes potentielles mais qui sont en fait des petites étoiles. »

Les plus redoutables sont les « binaires mélangées » : quand deux étoiles sont présentes dans le champ du satellite, mais que celui-ci ne peut pas les distinguer avec ses petites caméras de 10 cm d’ouverture, il se fait mystifier. Pour lui en effet, la baisse d’éclat que provoque une troisième étoile en transit devant l’une des deux précédentes est identique à celle d’une planète autour d’une étoile unique dans le champ ! Une mesure de la masse du corps en orbite, ou une image à haute résolution de la zone, permet de lever l’ambiguïté. D’autres faux positifs sont bien sûr possibles, par exemple « ces taches à la surface des étoiles qui peuvent parfois être prises pour de petites planètes », poursuit l’astrophysicien.

Pour un télescope qui n'est pas capable de les distinguer, la baisse d'éclat provoquée par le passage d'une étoile naine devant un membre d'une étoile binaire est identique à celle que provoque le passage d'une planète devant une étoile unique. DR

À ce jour, environ 600 TOI ont été repérés comme faux positifs. Malgré les nombreux télescopes au sol mis à contribution, séparer le bon grain de l’ivraie sera encore long. « À l’OHP par exemple, nous avons observé une petite centaine d’objets jusqu’à présent. TESS fournit bien plus de candidats qu’il n’en faut pour occuper notre télescope ! » note Guillaume Hébrard. Par ailleurs, certains TOI plus prometteurs que d’autres monopolisent les nuits des astronomes, au détriment des autres.

20 000 exoplanètes de plus ?

Mais ce n’est pas tout ! En plus de ses cibles prioritaires, ces étoiles choisies avant le lancement pour être observées à cadence rapide (toutes les 2 minutes), TESS a la capacité de mesurer toutes les 30 minutes l’ensemble des étoiles du champ qu’il observe (chacun fait 24° x 96°). Autant de découvertes possibles ! Avant le lancement toujours, les simulations indiquaient un potentiel de découvertes de 20 000 exoplanètes pour ces étoiles de plein champ. Au final, il y en aura probablement moins.

« Il semble que TESS soit assez gêné par la lumière réfléchie de la Terre et de la Lune », explique Juan Cabrera. Le satellite navigue sur une orbite très particulière, jamais utilisée auparavant, qui l’emmène tous les 14 jours environ à 375 000 km de la Terre, avant de le rapprocher à 75 000 km. Sur cette orbite, le télescope voit régulièrement notre planète et son satellite passer dans son champ de vue. Avant même de le traverser, lorsqu’elles s’en approchent, leur lumière diffusée peut rendre le fond de ciel plus brillant. Conséquence : les étoiles les plus faibles ne sont plus observables et c’est autant de planètes candidates qui s’évaporent... « On s’attend grosso modo à perdre la moitié des cibles lorsque la magnitude limite accessible diminue d'une magnitude », estime l’astrophysicien.

Bien que TESS soit équipé d'un pare-soleil, il peut être gêné par l'éclat de la Lune (en gris) et de la Terre (en bleu)
lorsque celles-ci passent près de son champ de vue (rectangle au centre).
© R. Vanderspek/TESS@MIT

Autre raison pour laquelle ces 20 000 exoplanètes ne sont pas près d’être découvertes : leurs étoiles hôtes sont des cibles non prioritaires pour le suivi au sol. Même lorsqu’elles exhibent un signal suspect, elles ne sont pas intégrées au fameux catalogue des TOI. « La plupart des 17 000 géantes que les simulations anticipent sont très proches du plan galactique. C’est normal, car c’est là qu’il y a le plus d’étoiles. Mais c’est aussi là qu’il y a le plus d’étoiles faibles, le plus d’étoiles binaires, et le plus d’étoiles proches les unes des autres. Bref, c’est dans le plan galactique que les candidates sont les plus difficiles à confirmer et donc qu’il y a le moins d’intérêt à observer », note Juan Cabrera. Cela ne veut pas dire que les candidates autour de ces étoiles ne seront pas vérifiées. « Mais dans l’immédiat, avec les ressources auxquelles on a accès, il faut prioriser les cibles les plus intéressantes. Ces cibles, ce sont les TOI », explique le chercheur.

Une chose est sûre, la moisson est loin d’être terminée. En juillet 2019, un an avant la fin de sa mission nominale, la Nasa a décidé de prolonger l’activité de TESS jusqu’en septembre 2022. Elle sera sans doute prolongée au-delà, comme pour son prédécesseur Kepler — lancé en 2009 pour 3 ans, il a observé jusqu’à épuisement de ses ergols en 2018.

TESS avant le lancement. Ses 4 caméras nichées dans son pare-soleil sont bien visibles. © Nasa

Des améliorations ont été apportées. TESS réalise désormais des images complètes de son champ de vision toutes les 10 minutes, trois fois plus vite qu’auparavant. Et il mesure l’éclat de ses cibles prioritaires toutes les 20 secondes, contre 2 minutes jusqu’ici. Ces mesures plus rapides permettront d’étudier plus finement les variations d’éclat des étoiles dus aux transits planétaires ou à l’activité stellaire elle-même. Avec une efficacité redoublée, quel sera le nouveau bilan de TESS l’année prochaine ?

Recevez Ciel & Espace pour moins de 6€/mois

Et beaucoup d'autres avantages avec l'offre numérique.

Voir les offres

Nous avons sélectionné pour vous