JWST | « L’objectif ultime de nos travaux ? Répondre à la question: la vie existe-t-elle ailleurs dans l’Univers ? »

Au départ, le James Webb Space Telescope (JWST) a été conçu pour observer les galaxies les plus lointaines possibles, afin d’étudier les premières phases de l’Univers. En effet, la vitesse de la lumière étant finie, plus on observe loin, plus on peut « remonter dans le temps ». Ce premier objectif du JWST explique pourquoi il a été conçu pour détecter la lumière infrarouge : du fait de l’expansion de l’Univers, plus un objet est lointain, plus sa lumière est décalée vers le rouge.

Le télescope va également s’intéresser aux problèmes de la « matière noire », ce mystérieux ingrédient cosmique qu’il faut rajouter à nos modèles pour arriver à modéliser non seulement l’Univers dans son ensemble, mais aussi la dynamique de ses grandes structures (amas de galaxies, galaxie, etc.). 

Enfin, et surtout dirais-je, il va nous permettre d’étudier les exoplanètes de manière bien plus poussée que ce qui a été fait jusqu’à présent. La grande taille de son miroir primaire combinée à ses instruments opérant dans l’infrarouge vont en effet nous permettre d’étudier la composition atmosphérique d’un grand nombre d’exoplanètes, y compris des planètes rocheuses et potentiellement habitables en orbite autour de petites étoiles froides comme TRAPPIST-1. Dans le pire des scénarios, il nous apprendra que ces planètes sont généralement incapables de garder une atmosphère substantielle à cause de leur proximité à leur petite étoile. Dans le meilleur des cas, il révélera pour certaines de ces planètes des compositions atmosphériques ne pouvant s’expliquer que par la présence de vie à leur surface.

Mais cette liste est loin d’être exhaustive, la mission du JWST étant ouverte à toute la communauté scientifique, il sera utilisé pour beaucoup d’autres projets, comme, par exemple, dans l’étude d’objets de notre système solaire.

Je compte utiliser le JWST avant tout pour étudier la composition atmosphérique d’exoplanètes telluriques en orbite autour de petites étoiles proches, surtout celles de TRAPPIST-1 et celles que découvrira SPECULOOS (Ndlr : SPECULOOS, Search for Planets EClipsing ULtra-cOOl Stars, est un projet dirigé par l’ULiège avec les universités de Cambridge, Birmingham , Berne, le MIT, l’Institut d’Astrophysique des Canaries et l’Observatoire européen austral). Dans ce contexte, j’ai développé avec ma collègue Victoria Meadows de l’Université de Washington une initiative communautaire visant à rassembler les chercheurs intéressés dans l’étude de TRAPPIST-1 avec le JWST, afin de maximiser le retour scientifique de cette étude.

Comme le dit notre devise nationale, l’union fait la force, et c’est aussi le cas en science. L’étude détaillée des sept planètes de TRAPPIST-1 demandera des centaines d’heures d’observation avec le JWST, et ce n’est qu’en évitant les compétitions stériles et en combinant nos expertises et nos ressources que nous arriverons à obtenir ces données et à en apprendre plus sur ces mystérieuses planètes. 

Via des collaborations avec des équipes GTO (Guaranteed Time Observations / Observations de temps garanti), nous aurons accès à certaines des premières observations du JWST de TRAPPIST-1. L’initiative communautaire TRAPPIST-1 nous donnera aussi accès à de nombreuses données, certaines équipes membres de l’initiative ayant décroché du temps JWST pour observer TRAPPIST-1 lors du premier cycle d’observations (cycle 1). Personnellement, j’ai introduit deux proposals ambitieux visant à étudier en profondeur deux des planètes du système. Ils n’ont pas été sélectionnés, sans doute parce qu’ils étaient trop ambitieux à ce stade de JWST. En effet, on ne connait pas encore ses performances réelles, dans l’espace, donc la NASA a préféré ne pas octroyer de programmes hyper-ambitieux et étalés sur plusieurs cycles, ce qui est compréhensible.

Je mise surtout sur l’instrument NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph), qui pourra mesurer de manière très précise le « spectre de transit » des planètes sur une large gamme de longueur d’ondes. Le concept de ces observations est d’observer le passage (transit) de la planète devant l’étoile. Lorsque cela se produit, une partie de la lumière émise par l’étoile dans notre direction passe dans l’atmosphère de la planète et est filtrée par celle-ci. Par exemple, si l’atmosphère est riche en CO₂ , celui-ci va absorber une partie de la lumière venant de l’étoile à certaines longueurs d’onde (que l’on connait bien grâce à la physique), et l’on observera un déficit de flux qui s’ajoutera à celui causé par le corps de la planète cachant une partie de l’étoile. En mesurant ainsi l’amplitude de ce déficit dans une large gamme de longueur d’ondes, on obtient le spectre de transit de la planète qui donne accès à de riches informations sur sa composition et ses propriétés atmosphériques. Les informations peuvent en principe nous permettre de contraindre les conditions de surface de la planète, mais aussi révéler un déséquilibre chimique de l’atmosphère, indicatif d’une activité biologique à sa surface.

Au final, c’est cela l’objectif ultime de nos travaux : répondre à la question « la vie existe-t-elle ailleurs dans l’Univers ? » 

Oui, en partie, car les données Hubble souffrent de nombreux effets systématiques liés à son orbite géocentrique dont ne souffrira pas le JWST, qui lui sera en orbite autour du Soleil à 1.5 million de kilomètres de la Terre. Néanmoins, on ne s’attend pas à d’énormes surprises dans ce domaine, pour la simple raison que les données Hubble sont loin d’être assez précises pour détecter une atmosphère compacte autour des planètes et de révéler leurs compositions. Nous avons utilisé Hubble pour rejeter l’hypothèse (a priori peu probable) d’atmosphères étendues, riches en hydrogène, autour des planètes de Trappist-1. Avec JWST, nous allons entrer dans une tout autre gamme de précisions, et donc avoir accès à des atmosphères bien différentes, similaires à celle de la Terre ou de Vénus.   

En cycle 1, aucune autre que TRAPPIST-1, mais nous comptons bien utiliser JWST à partir du cycle 2 pour étudier certaines planètes qui seront détectées par SPECULOOS, et d’autres détectées par TESS (Ndlr : Transiting Exoplanet Survey Satellite, lancé en 2018 par la NASA) et confirmées par nos télescopes. Ce seront toutes des planètes de petite taille en orbite autour d’étoile très peu massive et très froide.

Bien sûr ! L’étude détaillée des planètes de TRAPPIST-1 demandera l’accumulation de données sur l’ensemble de la mission JWST, nous participons à la découverte d’autres cibles intéressantes pour la mission JWST via notre contribution au projet TESS, et nous comptons bien détecter d’autres systèmes similaires à TRAPPIST-1 avec SPECULOOS que nous étudierons ensuite avec JWST. Celui-ci va inaugurer une nouvelle ère pour l’exoplanétologie, celle de l’étude détaillée d’exoplanètes rocheuses tempérées, et nous ambitionnons d’y contribuer autant que faire se peut.  

Au niveau spatial, aucune mission équivalente n’a encore été sélectionnée pour l’après-JWST. Il y a plusieurs concepts de mission en développement, mais vu le temps nécessaire pour passer du concept d’une mission spatiale à sa réalisation, et vu aussi les coûts énormes de ces missions, il ne faut pas espérer voir le lancement d’un réel successeur de JWST avant au minimum 2040. Par contre, plusieurs télescopes géants au sol sont en cours de construction. À cause de l’atmosphère terrestre, ils n’auront hélas pas les capacités de JWST pour l’étude d’exoplanètes en transit, mais on peut espérer qu’ils puissent conduire à la détection de “super-Terres” potentiellement habitables autour d’étoiles similaire au soleil d’ici 2040. Dans tous les cas, ils devraient fortement améliorer notre capacité de détecter des exoplanètes en imagerie directe, même si la détection d’une vraie jumelle de la Terre ne sera pas encore à leur portée.