SPIRou part découvrir des exoplanètes à Hawaï

SPIRou part découvrir des exoplanètes à Hawaï

Conçu par l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie de Toulouse, l’instrument SPIRou va être installé sur un télescope à Hawaï afin de détecter des exoplanètes de la taille de la Terre autour d’étoiles de type naine rouge.

Les exoplanètes sont des planètes qui tournent autour d’autres étoiles que la nôtre. Voici un peu plus de 20 ans, en 1995, les astronomes Michel Mayor et Didier Queloz démontraient avoir détecté le premier de ces mondes lointains. Depuis, la technologie a progressé et, à chaque évolution, les chercheurs accèdent à de plus en plus d’exoplanètes. Telle est la logique suivie par SPIRou, un nouvel instrument qui vise des mondes qui tournent autour d’étoiles bien particulières : les naines rouges.

Chasser les exoplanètes autour des naines rouges

Et pourquoi les naines rouges ? Après tout, notre Soleil, une étoile au demeurant très banale, est une naine… mais jaune ! Pour en savoir plus, nous avons contacté l’astronome (et directeur de recherche au CNRS) Jean-François Donati qui est à la tête du projet SPIRou. Chercher des mondes autour de naines rouges n’est pas une nouveauté pour lui. En 2016, nous l’avions interviewé à propos de l’exoplanète de V830 Tau. Et déjà à l’époque il nous avait parlé de SPIRou.

Notons que l’instrument SPIRou porte volontairement le nom du célèbre reporter aventurier, héros d’une BD du même nom. Une idée de Jean-François Donati (avec accord de la maison d’édition) afin d’intéresser le grand public et les jeunes. Il nous explique que les naines rouges sont «des objets très intéressants» car il s’agit en fait du type d’étoiles le plus répandu de la galaxie. En dépit de cela, les exoplanètes autour de naines rouges ne sont pas forcément celles qui sont les plus recherchées ! À qui la faute ? Aux naines rouges qui rayonnent essentiellement dans l’infrarouge et vous allez voir pourquoi cela rend les choses plus difficiles.
Tout d’abord, rappelons que l’une des méthodes phares pour débusquer des exoplanètes repose sur ce qu’on appelle la vitesse radiale : en tournant autour de son étoile, un monde perturbe la position de celle-ci et, depuis la Terre, nous avons l’impression que l’étoile ne cesse de s’éloigner et de se rapprocher de nous (voir schéma ci-dessous).

Ce déplacement se mesure par spectroscopie où, en décomposant la lumière, on calcule la fameuse vitesse radiale qui nous donne le déplacement de l’étoile et du coup la masse de l’exoplanète. Le problème est que cette vitesse de déplacement est très faible (environ 1 m/s, soit la vitesse d’une personne qui marche sans se presser) donc il faut un spectromètre extrêmement précis. Et c’est là que l’infrarouge émis par les naines rouges complique les choses car les spectroscopes performants dans cette gamme de lumière sont très complexes à mettre au point.

Or Jean-François Donati nous rappelle que «la seule source d’information c’est la lumière», tout en insistant sur le fait que les naines rouges «sont les étoiles qu’il faut observer». La solution ? SPIRou (SectroPolarimètre InfraROUge), un instrument spécifiquement conçu et réalisé par l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) de Toulouse pour atteindre une précision inédite… justement, vous l’aurez deviné, dans l’infrarouge !

Conçu à Toulouse, SPIRou travaillera à Hawaï

À son propos, le scientifique n’hésite pas à parler de «prouesse technique». La précision de SPIRou doit en effet lui permettre de détecter des exoplanètes de la taille de la Terre autour de naines rouges jusqu’à une distance d’une centaine d’années-lumière de nous. Ce sont selon lui des dizaines à des centaines de mondes nouveaux qui vont pouvoir être débusqués ainsi et certains seront probablement dans la zone habitable, soit ni trop près ou ni trop loin de leur étoile pour que l’eau liquide existe à la surface (si d’autres conditions sont réunies).

L’instrument SPIRou à l’IRAP de Toulouse. Le coût de SPIRou (avec l’étude) s’élève à près de 10 millions d’euros. Toulouse, via l’IDEX et l’Université Paul Sabatier, participe à ce financement avec la région Ile de France et les Universités Joseph Fourier (Grenoble) et Aix Marseille (pour un total de 2,1 millions d’euros pour la partie française). Ensuite, il y a les contributions du CFHT (1,5 million d’euros), le Canada (700 000 euros) et 400 000 euros du Brésil, la Suisse, le Portugal et Taiwan. La région Occitanie finance en quasi-totalité les 4 millions d’euros de SPIP, le jumeau de SPIRou. Crédit : S.Chastanet – CNRS/OMP

L’instrument SPIRou à l’IRAP de Toulouse. Le coût de SPIRou (avec l’étude) s’élève à près de 10 millions d’euros. Toulouse, via l’IDEX et l’Université Paul Sabatier, participe à ce financement avec la région Ile de France et les Universités Joseph Fourier (Grenoble) et Aix Marseille (pour un total de 2,1 millions d’euros pour la partie française). Ensuite, il y a les contributions du CFHT (1,5 million d’euros), le Canada (700 000 euros) et 400 000 euros du Brésil, la Suisse, le Portugal et Taiwan. La région Occitanie finance en quasi-totalité les 4 millions d’euros de SPIP, le jumeau de SPIRou.
Crédit : S.Chastanet – CNRS/OMP

Aujourd’hui, SPIRou est prêt après 10 ans de travail. L’instrument pèse 500 kg pour sa seule partie optique et son banc auxquels il faut rajouter la masse du cryostat, l’enceinte étanche (et la machinerie qui va avec) dans laquelle il fonctionnera refroidi à -200 °C avec une précision au 1/1000ème de degrés ! Oui, les instruments infrarouges n’aiment pas la chaleur… Au total, c’est un spectropolarimètre de 2,5 tonnes qui part pour le télescope CFHT (Canada France Hawaï Telescope) situé à 4.200 m d’altitude sur le Maunakea à Hawaï. Notons qu’avec les caisses de transport, ce sont 9 tonnes qui vont arriver au sommet du célèbre volcan, considéré comme le meilleur site astronomique au monde aux latitudes tempérées. Là-haut, sous un ciel dégagé de toute pollution lumineuse et suffisamment haut pour que l’infrarouge des naines rouges ne soit pas trop atténué par l’atmosphère, le CFHT jouera avec ses 3,6 m de diamètre le rôle d’entonnoir à photons afin de nourrir SPIRou.

SPIRou sera installé sur le télescope CFHT (Canada Franec Hawaï Telescope) à plus de 4.000 m d’altitude sur le sommet du volcan Maunakea à Hawaï. Crédit : CFHT

SPIRou sera installé sur le télescope CFHT (Canada Franec Hawaï Telescope) à plus de 4.000 m d’altitude sur le sommet du volcan Maunakea à Hawaï.
Crédit : CFHT

Vous avez peut-être remarqué que nous avons employé le terme spectropolarimètre pour cet instrument et pas seulement spectromètre. Ne fuyez pas, on vous explique tout de suite pourquoi !
SPIRou est en effet à la fois un spectromètre (décomposition de la lumière, il fait des jolis arcs-en-ciel en quelque sorte) pour déterminer la vitesse radiale et un polarimètre. Donc, il mesure aussi la polarisation de la lumière que Jean-François Donati nous définit comme un «mode de vibration de la lumière». L’avantage est que cette polarisation fournit beaucoup de renseignements sur l’activité de l’étoile observée. Or, cette activité (taches solaires, éruptions, etc.) peut fausser les mesures par spectroscopie et faire croire qu’il y a une exoplanète là où il y a surtout une naine rouge remuante. SPIRou évitera cet écueil en faisant en simultané spectroscopie et polarimétrie. Bref, l’IRAP de Toulouse a mis au point un redoutable découvreur de mondes lointains. Soulignons au passage qu’il associe plusieurs pays : la France, le Canada, l’État d’Hawaï, le Brésil, Taïwan, la Suisse et le Portugal.

SPIP scrutera aussi les exoplanètes des naines rouges

Née à Toulouse, l’aventure de SPIRou est aussi, comme on vient de le voir, internationale. À ce titre, les observations avec ce spectropolarimètre spécial naines rouges sont ouvertes à la communauté scientifique internationale. Comme c’est classiquement le cas, un comité de sélection retiendra les demandes les plus pertinentes.

Une partie de l’équipe SPIRou après que l’instrument ait reçu son feu vert pour le départ vers Hawaï. Crédit : S.Chastanet – CNRS/OMP

Une partie de l’équipe SPIRou après que l’instrument ait reçu son feu vert pour le départ vers Hawaï.
Crédit : S.Chastanet – CNRS/OMP

De plus, à l’avenir, SPIRou ne travaillera pas seul. Un jumeau est en préparation et s’appelle SPIP, clin d’œil à l’écureuil, fidèle compagnon du reporter. Contrairement à la BD toutefois, SPIP, l’instrument, n’est pas plus petit que SPIRou. En revanche il équipera un télescope plus modeste que le CFHT d’Hawaï : c’est le 2 m du Pic du Midi dans les Pyrénées qui a été choisi. «Quand le Soleil se lève à Hawaï, il se couche au Pic du Midi» pointe Jean-François Donati qui envisage ainsi des observations qui vont se relayer entre les deux télescopes. Cette continuité pourrait s’avérer décisive pour certaines naines rouges où seul un temps prolongé de récolte des données permettra d’en savoir plus sur les exoplanètes recherchées.

L’avenir de SPIRou et SPIP se dessine déjà. Capables de débusquer des mondes de taille comparable à la Terre dans la zone habitable des naines rouges, ces 2 instruments de l’IRAP identifieront des cibles potentielles pour les télescopes de nouvelle génération comme le JWST (successeur d’Hubble) qui associe la NASA et l’Agence Spatiale Européenne (et celle du Canada) ou encore l’E-ELT, le géant de 40 m de diamètre au sol que construit l’European Southern Observatory au Chili. Jean-François Donati estime que ces observatoires pourront déterminer une partie de la composition de l’atmosphère des exoplanètes. L’habitabilité des mondes de SPIRou et SPIP pourra alors être évaluée de façon plus précise.

Mais un autre avenir enthousiasme le chercheur. En choisissant SPIRou et SPIP comme noms des instruments il souhaite disposer d’une porte d’entrée, via la BD, pour le grand public. D’ailleurs, Le Journal de Spirou a réalisé une superbe planche sur 2 pages qui explique le fonctionnement du spectropolarimètre (voir ci-dessous). Ce partenariat est appelé à continuer. Pour Jean-François Donati, il est primordial d’intéresser la jeunesse à la science car «les lycéens d’aujourd’hui sont les chercheurs de demain».

SPIROU1-300