Kepler (télescope spatial)

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Kepler

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Télescope spatial Kepler

Caractéristiques
Organisation NASA
Domaine Détection d'exoplanètes
Masse 1 039 kg
Lancement 7 mars 2009 3:49:57 UTC
Fin de mission Initialement 2012, étendue jusqu'en 2016
Orbite Héliocentrique
Localisation Sur l'orbite de la Terre, en retard par rapport à celle-ci
Période 372,5 jours
Télescope
Type Télescope de type photomètre
Diamètre 0,95 m
Champ 105 deg2
Index NSSDC 2009-011A
Site (en) « Kepler, a search for habitable planets »

Kepler est un télescope spatial développé par l'agence spatiale américaine, la NASA, pour détecter des exoplanètes et lancé en 2009. Le satellite, qui pèse un peu plus d'une tonne, utilise la méthode des transits en observant les étoiles à l'aide de son télescope de 0,98 mètres de diamètre. Celui-ci est équipé d'un détecteur de 95 millions de pixels qui lui permet de mesurer la luminosité d'une étoile avec une précision photométrique de 20 ppm pour une étoile de magnitude apparente de 12. Kepler a pour objectif de détecter des planètes de type terrestre en observant en permanence la luminosité de 145 000 étoiles situées dans une région fixe de la Voie lactée de 115 degrés carrés. En juillet 2013 Kepler avait détecté 134 planètes confirmées par d'autres observations gravitant autour de 76 étoiles ainsi que plusieurs milliers non confirmées. Kepler est la dixième mission du programme Discovery de la NASA consacré aux missions scientifiques de faible cout.

Contexte et déroulement de la mission[modifier | modifier le code]

Kepler est un télescope spatial développé par la NASA dont l'objectif est de découvrir des planètes telluriques et autres petits corps qui orbitent autour d'autres étoiles de notre galaxie, la Voie lactée[1],[2]. Le véhicule spatial, nommé en l'honneur de l'astronome allemand du XVIIe siècle Johannes Kepler[3], a été lancé le 7 mars 2009 et placé en orbite héliocentrique[4]. Depuis fin mai 2013, suite à une panne de deux de ses volants d'inertie, il a été mis dans un mode de fonctionnement dégradé. Ce mode ne permet pas l'obtention de nouvelles données scientifiques, mais le conserve dans une position dans laquelle les contacts depuis le sol sont possibles[5].

L'observatoire Kepler est « spécifiquement conçu pour inspecter une section de notre région de la Voie lactée afin de découvrir des douzaines de planètes de la taille de la Terre à l'intérieur ou proches de la zone habitable et déterminer combien parmi les milliards d'étoiles dans notre galaxie ont de telles planètes »[6]. Un photomètre surveille continuellement la brillance de plus de 145 000 étoiles de la séquence principale dans un champ d'observation fixe[7]. Cette donnée est transmise à la Terre puis analysée pour détecter des obscurcissements périodiques causés par des planètes extrasolaires qui passent devant leur étoile. En janvier 2013 on dénombre un total de 2 740 planètes candidates[8],[9]. Des astronomes du Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) ont également utilisé les données de la mission Kepler pour estimer qu'« au moins 17 milliards » de planètes telluriques se trouvent dans la Voie lactée[10].

Kepler fait partie du programme Discovery de la NASA qui se focalise sur des missions de science fondamentale à budget relativement réduit. La construction et la mise en service du télescope ont été gérées par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, la société Ball Aerospace, basée à Boulder (Colorado), étant responsable du système de vol de Kepler. Le Ames Research Center est chargé du développement des systèmes au sol, de la gestion de la mission depuis décembre 2009 et de l'analyse des données scientifiques.

La mission avait une durée de vie initialement prévue de 3 ans et demi, mais en 2012 elle a été étendue jusqu'en 2016[11],[12], en partie à cause de difficultés dans le traitement et l'analyse de l'énorme volume de données collectées par le véhicule spatial[13].

Le 10 janvier 2011, la plus petite exoplanète alors connue, Kepler-10b, une planète tellurique, a été découverte à l'aide des observations de Kepler[14] ; depuis, plusieurs exoplanètes de taille comparable voire plus petites que la Terre ont été identifiées, telles que Kepler-20f, Kepler-20e, voire des corps à l'existence fortement suspectée, en janvier 2012, tels que Kepler-42b, Kepler-42c et Kepler-42d, cette dernière étant à peine plus grande que Mars.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Diagramme montrant l'intérieur de l'observatoire Kepler.

Le véhicule spatial a une masse de 1 039 kilogrammes, une ouverture de 0,95 mètre et un miroir primaire de 1,4 mètre, afin de mesurer les courbes de lumière des étoiles. Son énergie est fournie par un panneau solaire délivrant une puissance de 651 watts.

Partie optique[modifier | modifier le code]

À l'époque de son lancement, Kepler disposait du plus grand miroir parmi tous les télescopes situés au-delà de l'orbite terrestre[15]. Kepler a un champ d'observation de 105 deg² (environ 12 degrés en diamètre), ce qui équivaut à peu près à la taille du poing observé bras tendu. Sur l'ensemble de ce champ, 105 degrés sont de qualité scientifique, avec un vignettage inférieur à 11 %. Afin de fournir une excellente photométrie, les images ne sont pas parfaitement nettes, mais légèrement défocalisées[16]. L'objectif de la mission est une précision photométrique différentielle combinée (en anglais CDPP pour Combined Differential Photometric Precision) de 20 ppm (partie par million) pour une étoile de type solaire m(V)=12 et un temps d'intégration de 6,5 heures, bien qu'à ce jour les observations soient loin de cet objectif (voir État de la mission). Un transit de type terrestre produit un changement de luminosité de 84 ppm et dure 13 heures lorsqu'il traverse le centre de l'étoile.

Caméra[modifier | modifier le code]

Le détecteur matriciel au plan focal (en anglais staring array) de Kepler. Le dispositif est courbe pour tenir compte de la courbure de champ de Petzval.

Le plan focal de la caméra est constitué de 42 capteurs CCD chacun comportant 2200 × 1024 pixels, ce qui en fit à l'époque la plus grande caméra jamais lancée dans l'espace, avec un total de 95 mégapixels[17],[18]. Ce détecteur matriciel est refroidi par des caloducs connectés à un radiateur externe[19]. Les CCD sont lus toutes les six secondes (pour limiter la saturation) et co-additionnés à bord pendant 30 minutes. Cependant, bien qu'au moment de son lancement Kepler ait eu le taux de transmission de données le plus élevé de toutes les missions de la NASA, la somme des 95 millions de pixels effectuée en 30 minutes représente plus de données que ce qui peut être stocké et renvoyé sur Terre. L'équipe scientifique a donc pré-sélectionné les pixels appropriés associés à chaque étoile d'intérêt, ce qui représente environ 5 % des pixels. Les données de ces pixels sont alors requantifiées, compressées et stockées, avec d'autres données auxiliaires, dans l'enregistreur à mémoire statique de 16 gigabytes. Les données qui sont stockées et retransmises vers la Terre incluent les étoiles scientifiquement étudiées, les étoiles de mode p, le niveau de noir, les images d'arrière-plan et de plein champ[19].

Historique[modifier | modifier le code]

Lancement de Kepler le 7 mars 2009.

En janvier 2006, le lancement du projet fut reporté de huit mois à cause de coupes budgétaires et de consolidations à la NASA[20]. Il fut à nouveau reporté de quatre mois en mars 2006 du fait de nouveaux problèmes de budget[20],[21]. Durant cette période, l'antenne à grand gain conçue pour être montée sur cardan fut changée pour un modèle fixé à l'ossature du vaisseau afin de réduire le coût et la complexité, ceci au prix d'un jour d'observation par mois[20].

Le télescope Kepler fut lancé le 7 mars 2009 à 03:49:57 UTC (6 mars, 10:49:57 pm EST) à bord d'une fusée Delta II depuis la base de lancement de Cap Canaveral, en Floride[22],[4]. Le lancement fut un succès total et les trois étapes furent complétées vers 04:55 UTC. L'enveloppe du télescope fut larguée le 7 avril 2009 et les images de la première lumière furent prises le lendemain[23],[24].

Le 20 avril 2009, il fut annoncé que l'équipe scientifique de Kepler avait conclu qu'un affinage supplémentaire du focus augmenterait considérablement le rendement scientifique[25]. Le 23 avril 2009, il fut annoncé que le focus avait été optimisé avec succès en bougeant le miroir primaire de 40 micromètres vers le plan focal et en l'inclinant de 0.0072 degrés[26].

Le 12 mai 2009, à 5:01 pm heure du Pacifique (17:01 UTC-8), Kepler compléta sa phase de mise en service avec succès et débuta sa recherche de planètes autour d'autres étoiles[27],[28].

Le 19 juin 2009, le vaisseau envoya avec succès ses premières données scientifiques vers la Terre. Il fut découvert que Kepler était entré en mode de sécurité le 15 juin. Un second événement de mode de sécurité se produisit le 2 juillet. Dans les deux cas l'événement fut déclenché par une réinitialisation de processeur. Le vaisseau repris son fonctionnement normal le 3 juillet et les données scientifiques qui avaient été collectées depuis le 19 juin furent retransmises vers la Terre ce jour là[29]. Le 14 octobre 2009, il fut déterminé que la cause de ces événements de mise en sécurité était une alimentation électrique à basse tension qui alimente le processeur du RAD750[30]. Le 12 janvier 2010, une partie du plan focal transmit des données anormales, suggérant un problème avec son module MOD-3 qui couvre 2 des 42 CCD de Kepler. À partir d'octobre 2012, le module fut considéré comme étant « en panne », mais la couverture de l'instrument excédait toujours les objectifs scientifiques[31].

Kepler télécharge à peu près 12 gigabytes de données[32] environ tous les mois[33]. Un exemple d'un tel téléchargement se déroula les 22 et 23 novembre 2010[34].

Le 14 juillet 2012, l'une des quatre roues de réaction utilisée pour le pointage de précision du télescope est tombée en panne[35]. Comme Kepler n'a besoin que de trois roues de réaction pour pointer correctement le télescope il peut continuer à fonctionner, mais une autre panne le laisserait dans l'incapacité de poursuivre sa mission. Il s'agit d'une menace potentielle pour l'extension de la mission[36].

Le 17 janvier 2013 la NASA a annoncé que l'une des trois roues de réaction restantes montrait des signes d'une friction accrue, et que Kepler interromprait son fonctionnement pendant 10 jours comme possible méthode pour corriger le problème. Si cette seconde roue devait aussi tomber en panne, la mission Kepler prendrait fin[37],[38]. Le 29 janvier 2013, la NASA signala le succès du rétablissement du mode de collecte scientifique[39].

Le 15 août 2013, la NASA déclare officiellement renoncer à réparer les deux roues endommagées, ce qui marque l'arrêt définitif du fonctionnement du télescope[40]. L'analyse des données se poursuivra en revanche sur plusieurs années.

Performances[modifier | modifier le code]

En termes de performance photométrique, Kepler fonctionne bien, beaucoup mieux que n'importe quel télescope terrestre, mais encore loin des objectifs fixés lors de sa conception. L'objectif était une précision photométrique différentielle combinée (en anglais CDPP pour combined differential photometric precision) de 20 parties par million (PPM) pour une étoile de magnitude 12 après 6,5 heures d'intégration. Cette estimation fut développée en tenant compte de 10 ppm pour la variabilité stellaire, soit à peu près la valeur correspondant au Soleil. La précision obtenue pour cette observation a une large amplitude, selon l'étoile et la position sur le plan focal, avec une médiane de 29 ppm. L'essentiel du bruit additionnel se manifeste à cause d'une variabilité des étoiles elles-mêmes qui s'avère être plus grande que supposé (19,5 ppm au lieu des 10 ppm attendus), le reste étant dû à des sources de bruit liées à l'instrument et qui sont plus importantes que les prédictions[41]. Un travail est en cours afin de mieux comprendre, et peut-être éliminer par recalibrage, le bruit de l'instrument[42].

Puisque le signal d'une planète de la taille de la Terre est si proche du niveau du bruit (seulement 80 ppm), un bruit plus important implique que chaque transit individuel constitue seulement un événement à 2,7 σ, au lieu des 4 σ escomptés. Il en résulte que davantage de transits doivent être observés pour qu'une détection soit certaine. Les estimations scientifiques ont indiqué qu'une mission de 7 à 8 ans, au lieu des 3,5 ans planifiés au départ, serait nécessaire pour trouver toutes les planètes de taille terrestre en transit[43]. Le 4 avril 2012, l'extension de la mission Kepler jusqu'à l'année fiscale 2016 a été approuvée[44] ce qui évite les occultations par la Terre, la pollution lumineuse, les perturbations gravitationnelles et cinétiques inhérentes à l'orbite terrestre. Le photomètre pointe vers une zone située dans les constellations boréales du Cygne, de la Lyre et du Dragon[45] qui se trouve nettement au-dessus du plan de l'écliptique, de sorte que la lumière du Soleil n'entre jamais dans le photomètre tandis que le vaisseau orbite autour du Soleil. Ce champ d'observation n'est pas non plus obscurci par des objets de la ceinture de Kuiper ou de la ceinture d'astéroïdes[19].

Il s'agit aussi de la direction du système solaire autour du centre de la Voie Lactée. Ainsi, les étoiles qui sont observées par Kepler ont à peu près la même distance au centre galactique que le système solaire et sont également proches du plan galactique. Ce fait est important si la position dans la Voie Lactée est liée à l'habitabilité, comme le suggère l'hypothèse de la Terre rare.

L'orbite de Kepler a été décrite par la NASA comme étant en arrière de la Terre (en anglais : earth-trailing orbit)[46]. Avec une période orbitale de 372,5 jours, Kepler tombe doucement plus loin en arrière de la Terre.

Mise en œuvre[modifier | modifier le code]

Orbite de Kepler. Les panneaux solaires du vaisseau sont ajustés aux solstices et aux équinoxes.

Le centre de contrôle de Kepler est le LASP situé dans la ville de Boulder (Colorado. Les panneaux solaires du vaisseau sont tournés pour faire face au Soleil lors des solstices et des équinoxes, de manière à optimiser la quantité de lumière solaire qu'ils reçoivent, ainsi que pour maintenir le radiateur orienté vers l'espace profond[19]. Ensemble, le LASP et le constructeur du vaisseau, Ball Aerospace & Technologies Corp., contrôlent le véhicule spatial depuis un centre des opérations de la mission situé sur le campus de l'Université du Colorado. Le LASP réalise l'organisation essentielle de la mission ainsi que la collecte initiale et la distribution des données scientifiques. Le coût initial du cycle de vie de la mission a été estimé à 600 millions de dollars américains, en tenant compte de la levée de fonds pour les 3,5 années d'exploitation[19]. En 2012, la NASA a annoncé que la mission Kepler serait financée jusqu'en 2016[12].

Télécommunications[modifier | modifier le code]

La NASA contacte le vaisseau, via la liaison de communication par bande X, deux fois par semaine pour le diriger et mettre à jour ses statuts. Les données scientifiques sont téléchargées une fois par mois en utilisant la liaison par bande Ka avec un taux de transfert maximum d'approximativement 550 KBps. Le vaisseau Kepler conduit ses propres analyses partielles à bord et ne transmet que les données scientifiques jugées nécessaires à la mission, ceci afin de conserver de la bande passante[47].

Gestion des données[modifier | modifier le code]

Les données télémétriques scientifiques collectées pendant les opérations de la mission, au LASP, sont envoyées pour traitement au Data Management Center (centre de gestion des données) de Kepler, situé au Space Telescope Science Institute (STScI) de l'Université Johns-Hopkins à Baltimore. Ces données sont décodées et converties par le DMC en lots de données scientifiques au format FITS non calibré, lesquels sont alors transmis au Science Operations Center (SOC) du Ames Research Center (ARC) de la NASA pour calibration et traitement final. Le SOC développe et utilise les outils nécessaires pour traiter les données scientifiques dont fera usage le Science Office (SO, pour bureau scientifique en anglais) de Kepler. En conséquence, le SOC développe le logiciel de traitement de la chaîne de données, basé sur les algorithmes scientifiques développés par le SO. Au cours des opérations, le SOC :

  1. Reçoit les données calibrées des pixels de la part du DMC.
  2. Applique les algorithmes d'analyse pour produire les courbes de lumière de chaque étoile.
  3. Réalise les recherches de transits pour la détection de planètes (en anglais threshold-crossing events, ou TCEs).
  4. Réalise ensuite la validation des données pour les planètes candidates, par l'évaluation de la cohérence des divers lots de données en tant que méthode pour éliminer les détections de faux positifs.

Le SOC évalue également la performance photométrique de façon régulière et fournit les métriques de performance au SO et au Mission Management Office (en anglais : Bureau de gestion de la mission). Finalement, le SOC développe et maintient les bases de données scientifiques du projet, ce qui inclut les catalogues et les données traitées. Il retourne les lots de données calibrées et les résultats scientifiques au DMC pour archivage à long terme, et distribution aux astronomes du monde entier via la Multimission Archive du STScI.

Champ d'observation[modifier | modifier le code]

Diagramme de la zone étudiée par Kepler avec les coordonnées célestes.

Kepler a un champ d'observation (en anglais FOV pour Field Of View) qui est fixe dans le ciel. Le diagramme ci-contre, à droite, montre les coordonnées célestes, la zone visée par les champs du détecteur ainsi que la localisation de quelques étoiles brillantes, avec le Nord céleste situé dans le coin supérieur gauche. Le site web de la mission propose un calculateur[48] qui détermine si un objet donné se trouve dans le champ d'observation et, si c'est le cas, l'endroit où il apparaîtra dans le flux de données de sortie du détecteur photographique. Les données sur les planètes extrasolaires candidates sont soumises au Kepler Follow-up Program, ou KFOP (pour Programme de suivi de Kepler, en anglais) afin de conduire des observations complémentaires.

Le champ d'observation de Kepler couvre 115 degrés carrés, soit environ 0,28 % du ciel, ou « environ deux cuillères de la Grande Ourse ». Ainsi, il faudrait à peu près 400 télescopes tels que Kepler pour couvrir l'ensemble du ciel vu de la Terre[49].

Objectifs et méthodes[modifier | modifier le code]

L'objectif scientifique de Kepler est d'explorer la structure et la diversité des systèmes planétaires[50]. Ce véhicule spatial observe un grand échantillon d'étoiles afin d'atteindre plusieurs objectifs clés :

  • Déterminer combien de planètes, de taille équivalente ou supérieure à la Terre, se trouvent à l'intérieur ou à proximité de la zone habitable[51] d'étoiles aux types spectraux très variés. De telles planètes sont souvent appelées Goldilocks planets en anglais, en référence à l'histoire de Boucles d'or et les Trois Ours[51],[52] (la petite fille nommée Boucles d'or devant régulièrement choisir entre trois objets de tailles différentes, ignorant ceux qui sont trop extêmes, c'est-à-dire trop grands ou trop petits, trop chauds ou trop froids, et choisissant systématiquement celui qui se trouve au milieu car il est « juste comme il faut »).
  • Déterminer l'étendue des tailles et des formes des orbites de ces planètes.
  • Estimer combien de planètes se trouvent dans des systèmes à étoiles multiples.
  • Déterminer l'étendue de l'orbite, de la luminosité, de la taille, de la masse et de la densité des planètes géantes à courte période orbitale.
  • Identifier les membres additionnels de chaque système planétaire découvert en utilisant d'autres techniques.
  • Déterminer les propriétés de ces étoiles qui abritent des systèmes planétaires.

La plupart des exoplanètes précédemment détectées par d'autres projets étaient des géantes gazeuses, principalement de la taille de Jupiter et plus grandes. Kepler est conçu pour rechercher des planètes 30 à 600 fois moins massives, plus proches de la masse de la Terre (Jupiter est 318 fois plus massive que la Terre). La méthode utilisée qui est la méthode des transits, implique l'observation des transits astronomiques répétés de planètes devant leurs étoiles, ce qui cause une légère réduction de la magnitude apparente de l'étoile, de l'ordre de 0,01 % pour une planète de la taille de la Terre. Le degré de cette baisse d'éclat peut être utilisé pour déduire le diamètre de la planète, et l'intervalle de temps entre les transits peut être utilisé pour déduire la période orbitale de la planète, données à partir desquelles peuvent être calculés son demi-grand axe orbital (à l'aide des lois de Kepler) et sa température (en utilisant des modèles de radiation stellaire).

La probabilité pour que l'orbite d'une planète se trouve aléatoirement placée le long de la ligne de visée vers l'étoile correspond au diamètre de l'étoile divisé par le diamètre de l'orbite[53]. Pour une planète de type terrestre qui transite à 1 UA d'une étoile de type solaire, la probabilité est de 0,465 %, ou environ 1 sur 215. À 0,72 UA (qui correspond à la distance orbitale de Vénus par rapport au Soleil) la probabilité est légèrement plus importante ; de telles planètes pourraient être semblables à la Terre si leur étoile est de type G, suffisamment ancienne, légèrement moins massive et lumineuse que le Soleil, telle que Tau Ceti. De plus, comme les planètes d'un système donné tendent à orbiter sur des plans smiliaires, la possibilité de détections multiples autour d'une seule étoile est en fait assez élevée. Par exemple, si une mission du même type que Kepler était conduite par des extraterrestres et qu'elle observait la Terre transiter devant le Soleil, il y a 12 % de chances pour qu'elle repère également un transit de Vénus.

Le champ d'observation de 115-deg2 de Kepler lui donne une probabilité bien plus élevée de détecter des planètes de type terrestre que le télescope spatial Hubble, qui a un champ d'observation de seulement 10 arcminutes2. De plus, Kepler est dédié à la détection de transits planétaires, tandis que le télescope spatial Hubble est utilisé pour aborder une large variété de questions scientifiques, et n'observe que rarement un seul champ stellaire en continu. Parmi environ un demi-million d'étoiles situées dans le champ d'observation de Kepler, à peu près 150 000 étoiles ont été sélectionnées pour observation[54], et elles sont observées simultanément, le vaisseau mesurant les variations de leur éclat toutes les 30 minutes. Cela offre une meilleure chance de voir un transit. De plus, la probabilité de 1 sur 215 signifie que si 100 % des étoiles observées avaient le même diamètre que le Soleil, et que chacune avait une planète tellurique de type terrestre sur une orbite identique à celle de la Terre, Kepler en trouverait environ 465 ; mais si seulement 10 % des étoiles observées sont de la sorte, alors il en découvrirait 46. La mission est bien adaptée pour déterminer la fréquence de planètes similaires à la Terre orbitant autout d'autres étoiles[19],[55].

Du fait que Kepler doit observer au moins trois transits pour confirmer que la baisse d'éclat d'une étoile a été causée par une planète en transit, et comme les planètes les plus grandes donnent un signal qui est plus facile à vérifier, les scientifiques s'attendaient à ce que les premiers résultats rapportés soient des planètes de la taille de Jupiter sur des orbites serrées. les premières d'entre elles ont été rapportées après seulement quelques mois d'activité. Des planètes plus petites et plus éloignées de leur étoile seront plus longues à observer et il est estimé que la découverte de planètes comparables à la Terre doit prendre trois ans ou plus[56].

Une fois que Kepler a détecté une signature de type transit, il est nécessaire d'écarter les faux positifs avec des tests complémentaires[57] comme la spectroscopie Doppler. Bien que Kepler a été conçu pour la photométrie, il s'avère qu'il est capable d'astrométrie et que de telles mesures peuvent aider à confirmer ou écarter des planètes candidates[58].

En plus des transits, les planètes orbitant autour de leurs étoiles subissent des changements de variation de la lumière reflétée (comme la Lune, elles traversent des phases de pleines à nouvelles et ainsi de suite ; leur orbite n'est pas non plus parfaitement circulaire et elle peut même être inclinée par rapport à la ligne de visée). Puisque Kepler ne peut résoudre la planète de son étoile, il voit seulement la lumière combinée, et l'éclat de l'étoile hôte semble changer à chaque orbite de façon périodique. Bien que l'effet soit minime (la précision photométrique requise pour observer l'aproche d'une planète géante étant à peu près la même que pour détecter une planète de taille terrestre en transit devant une étoile de type solaire) les planètes de la taille de Jupiter sont détectables par les télescopes spatiaux sensibles comme Kepler. Sur le long terme cette méthode pourrait aider à trouver davantage de planètes que la méthode des transits, car la variation de lumière reflétée selon la phase orbitale est largement indépendante de l'inclinaison orbitale de la planète, et elle ne requiert pas que la planète passe devant le disque de l'étoile. De plus, la fonction de phase d'une planète géante est également fonction des propriétés thermiques de son atmosphère s'il y en a une. Donc, la courbe de phase pourrait contraindre d'autres propriétés planétaires, telle que la taille et la distribution des particules atmosphériques[59].

Les données collectées par Kepler sont également utilisées pour étudier les étoiles variables de différents types et faire de l'astérosismologie[60], en particulier sur des étoiles manifestant des oscillations de type solaire[61].

Résultats de la mission à ce jour[modifier | modifier le code]

Une photo prise par Kepler avec deux points d'intérêt mis en évidence. Le Nord céleste se trouve vers le coin inférieur gauche.
Détail de l'image de la zone étudiée par Kepler montrant l'amas ouvert NGC 6791. Le Nord céleste se trouve vers le coin inférieur gauche.
Détail de l'image de la zone étudiée par Kepler. L'emplacement de TrES-2b est entouré en jaune au centre. Le Nord céleste se trouve vers le coin inférieur gauche.

À ce jour, l'observatoire Kepler est exploité activement. Les premiers résultats principaux ont été annoncés le 4 janvier 2010. Comme attendu, les découvertes initiales étaient toutes des planètes à courte période orbitale. Tandis que la mission se poursuivait, davantage de planètes candidates à plus longues périodes ont été trouvées.

2009[modifier | modifier le code]

La NASA a tenu une conférence de presse pour parler des premiers résultats scientifiques de la mission Kepler le 6 août 2009[62]. Lors de cette conférence de presse, il fut révélé que Kepler avait confirmé l'existence de l'exoplanète HAT-P-7b[63] déjà identifiée par la méthode des transits, et qu'il fonctionnait suffisamment bien pour découvrir des planètes de taille terrestre[64],[65].

Comme la détection de planètes par Kepler dépend de l'observation de très petits changements d'éclats, les étoiles qui varient en éclat par elles-mêmes (étoiles variables) n'entrent pas dans le cadre de cette recherche[33]. À partir des quelques premiers mois de données, les scientifiques de la mission Kepler ont déterminé qu'environ 7 500 étoiles de la liste initiale des cibles sont de telles étoiles variables. Elles ont été retirées de la liste et seront remplacées par d'autres candidates. Le 4 novembre 2009, le projet Kepler a diffusé publiquement les courbes lumineuses des étoiles abandonnées[66].

Les six premières semaines de données ont révélé cinq planètes précédemment inconnues, toutes très proches de leurs étoiles[67],[68]. Parmi les résultats notables se trouvait l'une des planètes à plus faible densité alors découvertes[69], deux étoiles naines blanches à faible masse[70] qui furent initialement rapportées comme étant des membres d'une nouvelle classe d'objets stellaires[71] et une planète bien caractérisée orbitant autour d'une étoile binaire.

2010[modifier | modifier le code]

Le lundi 4 janvier 2010, les responsables de mission annonçaient la découverte par Kepler de ses cinq premières exo-planètes, soit les planètes des étoiles Kepler-4 à Kepler-8[72].

Le 15 juin 2010, la mission Kepler a rendu publiques ses données sur la totalité d'environ 156 000 étoiles cibles pour la recherche planétaire, à l'exception de 400. Parmi ce premier lot de données, 706 cibles avaient des exoplanètes candidates viables, avec des tailles variant d'aussi petites que la Terre jusqu'à plus grandes de Jupiter. L'identification et les caractéristiques de 306 des 706 cibles furent communiquées. Les cibles fournies comprenaient 5 systèmes candidats à planètes multiples. Les données pour les 400 cibles restantes avec des candidats planétaires devaient être publiées en février 2011. (Pour les détails sur cette dernière publication, voir les résultats de la mission en 2011 ci-dessous.) Néanmoins, les résultats de Kepler, basés sur les candidats de la liste publiée en 2010, impliquaient que la plupart des planètes candidates avaient des rayons inférieurs à la moitié de celui de Jupiter. Ces résultats impliquaient aussi que les petites planètes candidates, avec des périodes inférieures à 30 jours, étaient bien plus communes que les grandes planètes candidates avec des périodes similaires et que les découvertes faites à partir d'observatoires au sol fournissent un échantillon de la population la plus grande, c'est-à-dire les plus grandes planètes dans la distribution des tailles[73]. Ceci contredisait les théories plus anciennes qui avaient suggéré que les petites planètes et celles de type terrestre seraient relativement peu fréquentes[74],[75]. Sur la base des données de Kepler alors étudiées, une estimation d'environ 100 millions de planètes habitables dans notre galaxie pouvait être réaliste[76]. Toutefois, certains bulletins des médias traitant de la conférence TED à l'origine de cette information ont conduit à des malentendus, en partie dus, semble-t-il, à la confusion concernant l'expression « similaires à la Terre » (Earth-like en anglais). À titre de clarification, une lettre du Directeur du Ames Research Center de la NASA, pour le Kepler Science Council (Conseil Scientifique de Kepler) datée du 2 août 2010, déclare que : « L'analyse des données actuelles de Kepler ne soutient pas l'affirmation selon laquelle Kepler a trouvé la moindre planète similaire à la Terre »[77],[78],[79].

En 2010, Kepler a identifié deux systèmes contenant des objets plus petits et plus chauds que leur étoile parente : KOI-74 et KOI-81[80]. Ces objets sont probablement des étoiles naines blanches faiblement massives produites par de précédents épisodes de transferts de masse dans leurs systèmes[70].

En 2010, l'équipe de Kepler a publié un article scientifique qui fournissait les données pour 312 planètes extrasolaires candidates autour de 306 étoiles distinctes. Seulement 33,5 jours de données étaient disponibles pour la plupart des candidates[73]. La NASA a également annoncé que les données concernant 400 candidates supplémentaires n'étaient pas divulguées, afin de permettre aux membres de l'équipe de Kepler de réaliser des observations supplémentaires[81]. Les données pour ces candidates ont finalement été rendues publiques le 2 février 2011[82].

2011[modifier | modifier le code]

Graphique montrant des exoplanètes dans le champ d'observation de Kepler, dans le contexte de toutes les planètes découvertes (au 3 octobre 2010), avec des scénarios de probabilités de transits indiqués à titre d'exemple.

Le 2 février 2011, l'équipe de Kepler annonçait les résultats d'analyses des données extraites entre le 2 mai et le 16 septembre 2009[82]. Ils avaient alors trouvé 1 235 candidats planétaires tournant autour de 997 étoiles hôtes. (Les nombres qui suivent supposent que les candidats sont vraiment des planètes, bien que les articles scientifiques officiels les appellent seulement candidats ou candidates. Des analyses indépendantes ont indiqué qu'au moins 90 % d'entre eux sont de vraies planètes et non des faux-positifs.)[83] 68 planètes étaient approximativement de la taille de la Terre, 288 étaient de la taille d'une Super-Terre, 662 de la taille de Neptune, 165 de la Taille de Jupiter et 19 jusqu'à deux fois la taille de Jupiter. 54 planètes se trouvaient dans la zone habitable, dont 5 avec une taille inférieure à deux fois celle de la Terre. Par contraste avec les travaux précédents de recherche d'exoplanètes, à peu près 74 % des planètes alors découvertes par Kepler étaient plus petites que Neptune, très probablement du fait que les travaux antérieurs découvraient plus facilement les grandes planètes que les petites.

Cette publication du 2 février 2011 de 1 235 planètes extrasolaires en incluait 54 qui pourraient être dans la zone habitable[84],[85]. Il n'y avait auparavant que deux planètes dont on pensait qu'elles se trouvaient en zone habitable, aussi ces nouvelles découvertes ont représenté une énorme expansion du nombre potentiel de planètes favorables à la vie (planètes à la bonne température pour permettre à l'eau d'exister à l'état liquide)[86]. Toutes les candidates en zone habitable découvertes jusqu'alors orbitaient autour d'étoiles significativement plus petites et plus froides que le Soleil (les candidates habitables autour d'étoiles de type solaire nécessitaient quelques années de plus pour accumuler les trois transits nécessaires à leur détection)[87]. De toutes les nouvelles planètes candidates, 68 faisaient 125 % de la taille de la Terre et moins, ou étaient plus petites que toutes les exoplanètes découvertes auparavant[85]. Dans le cadre de la mission, la taille d'une planète de type terrestre ou d'une super-Terre est définie comme « inférieure ou égale à 2 rayons terrestres (Rt) » [(où le rayon de la planète Rp ≤ 2,0 Re) - Table 5][82]. Six planètes candidates de ce type [à savoir : KOI 326.01 (Rp=0,85), KOI 701.03 (Rp=1,73), KOI 268.01 (Rp=1,75), KOI 1026.01 (Rp=1,77), KOI 854.01 (Rp=1,91), KOI 70.03 (Rp=1,96) – Table 6][82] sont dans la zone habitable[84]. Une étude plus récente a montré par la suite que l'une de ces candidates (KOI 326.01) est en fait bien plus grande et plus chaude que ce qui avait été rapporté en premier lieu[88].

La fréquence des observations de planètes était plus élevée pour des exoplanètes deux ou trois fois plus grandes que la Terre, et a ensuite décliné en proportion inverse de la surface planétaire. La meilleure estimation (en mars 2011), après avoir tenu compte des biais d'observation, était que 5,4 % des étoiles accueillent des planètes de la taille de la Terre, 6,8 % accueillent des candidates super-Terres, 19,3 % accueillent des candidates de la taille de Neptune et 2,55 % accueillent des candidates de la taille de Jupiter ou plus grandes. Les systèmes à plusieurs planètes sont communs ; 17 % des étoiles hôtes ont des systèmes à candidates multiples et 33,9 % de toutes les planètes sont dans des systèmes à planètes multiples[89].

Un comparatif de la taille des exoplanètes Kepler-20e[90] et Kepler-20f[91] avec Vénus et la Terre.

Vers le 5 décembre 2011, l'équipe de Kepler annonça la découverte de 2 326 candidats planétaires, dont 207 étaient similaires en taille à la Terre, 680 étaient de la taille de super-Terres, 1 181 étaient de la taille de Neptune, 203 étaient de la taille de Jupiter et 55 plus grands que Jupiter. Comparés aux chiffres de 2011, les nombres de planètes de taille terrestre ou de la taille de super-Terres avaient augmenté respectivement de 200 % et de 140 %. De plus, 48 candidats planétaires avaient été trouvés dans les zones habitables des étoiles étudiées, marquant une diminution par rapport aux chiffres de février. Ceci était dû au critère plus strict en usage dans les données de décembre[92].

Le 20 décembre 2011, l'équipe de Kepler a annoncé la découverte des premières exoplanètes telluriques, Kepler-20e[90] et Kepler-20f[91], en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil, Kepler-20[93].

Sur la base des découvertes de Kepler, l'astronome Seth Shostak a estimé en 2011 que « dans les mille années-lumière autour de la Terre » il y a « au moins 30 000 » planètes habitables[94]. Également à partir de ces découvertes, l'équipe de Kepler a estimé qu'il y a « au moins 50 milliards de planètes dans la Voie Lactée » dont « au moins la moitié sont dans la zone habitable »[95]. En mars 2011, des astronomes du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA ont signalé qu'environ « 1,4 à 2,7 % » de toutes les étoiles de type solaire sont supposées avoir des planètes semblables à la Terre « dans la zone habitable de leur étoile ». Cela signifie qu'il y a « deux milliards » de ces « analogues terrestres » dans notre seule galaxie, la Voie Lactée. Les astronomes du JPL ont aussi noté qu'il y a « 50 milliards d'autres galaxies », ce qui donne potentiellement plus d'un trilliard de « planètes analogues à la Terre » si toutes les galaxies ont un nombre de planètes similaire à celui de la Voie Lactée[96].

2012[modifier | modifier le code]

En janvier 2012, une équipe internationale d'astronomes a signalé que chaque étoile dans la Voie lactée pourrait abriter « en moyenne… au moins 1,6 planètes », suggérant que plus de 160 milliards de planètes, chacune en orbite autour d'une étoile, pourraient exister dans notre seule galaxie[97],[98]. Kepler a aussi enregistré de lointaines super-éruptions stellaires, certaines d'entre elles étant 10 000 fois plus puissantes que l'exceptionnelle tempête de Carrington[99]. Les super-éruptions pourraient être déclenchées par des planètes joviennes orbitant près de leur étoile[99]. La technique de variation du temps de transit (TTV pour Transit Timing Variation en anglais), qui a été utilisée pour découvrir Kepler-9d a gagné en popularité pour confirmer les découvertes d'exoplanètes[100]. Une planète dans un système à quatre étoiles a également été confirmée et il s'agit de la première découverte d'un tel système[101].

Tailles des planètes candidates découvertes par Kepler, basées sur 2 740 candidates en orbite autour de 2 036 étoiles au 7 janvier 2013 (NASA).

À partir de 2012 il y avait un total de 2 321 planètes candidates[92],[102],[103]. Parmi celles-ci, 207 sont de taille similaire à la Terre, 680 sont de la taille de super-Terres, 1 181 sont de la taille de Neptune, 203 de la taille de Jupiter et 55 plus grandes que Jupiter. De plus, 48 planètes candidates ont été trouvées dans les zones habitables des étoiles étudiées. L'équipe de Kepler a estimé que 5,4 % de toutes les étoiles abritent des planètes candidates de la taille de la Terre, et que 17 % de toutes les étoiles possèdent plusieurs planètes. En décembre 2011, deux des planètes telluriques candidates, Kepler-20e[90] et Kepler-20f[91], ont été confirmées en tant que planètes orbitant un jumeau du Soleil : Kepler-20[93],[104],[105].

2013[modifier | modifier le code]

Selon une étude publiée en janvier 2013 par des astronomes de Caltech, la Voie lactée contient au moins une planète par étoile, ce qui induit 100 à 400 milliards d'exoplanètes[106],[107]. L'étude, basée sur les planètes orbitant autour de Kepler-32, suggère que les systèmes planétaires pourraient être communs autour des étoiles de notre galaxie. La découverte de 461 planètes supplémentaires a été annoncée le 7 janvier 2013[9]. Plus Kepler observe longtemps, plus il peut détecter de planètes à longues périodes orbitales[9].

« Depuis que le dernier catalogue de Kepler a été publié en février 2012, le nombre de candidates découvertes dans les données de Kepler a augmenté de 20 pourcents et totalise maintenant 2 740 planètes potentielles en orbite autour de 2 036 étoiles[9]. »

Une nouvelle planète candidate a été annoncée le 7 janvier 2013 sous la dénomination de KOI-172.02. Confirmée trois mois plus tard, le 18 avril 2013, elle est alors renommée en tant que Kepler-69c. Il s'agit d'une Super-Terre en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil dans la zone habitable et qui pourrait être « une parfaite candidate pour abriter de la vie extraterrestre »[108].

À la même date du 18 avril 2013, deux autres planètes remarquables sont annoncées : Kepler-62e et sa voisine Kepler-62f[109]. Elles orbitent toutes les deux dans la zone habitable de leur étoile Kepler-62, à 1 200 années-lumière du système solaire. Il s'agit là encore de Super-Terres, mesurant respectivement 1,6 et 1,4 fois le rayon terrestre. Elles font partie d'un système à cinq planètes et pourraient, l'une comme l'autre, être entièrement recouvertes d'un océan[109],[110].

Publication des données[modifier | modifier le code]

L'équipe de Kepler avait initialement promis de publier les données au bout d'un an d'observations[111]. Toutefois, ce programme a été changé après le lancement, avec une planification de la publication des données s'étalant jusqu'à trois ans après leur collecte[112]. Il en a résulté des critiques considérables[113],[114],[115],[116],[117] qui ont conduit l'équipe scientifique de Kepler à diffuser le troisième trimestre de leurs données un an et six mois après leur collecte[118]. Les données allant jusqu'à septembre 2010 (trimestres 4, 5 et 6) ont été rendues publiques en janvier 2012[119].

Suivis externes[modifier | modifier le code]

Périodiquement, l'équipe de Kepler diffuse au public une liste de planètes candidates (appelées Kepler Objects of Interest, ou KOIs pour Objets d'Intérêt de Kepler). En utilisant cette information, une équipe d'astronomes a collecté les données de vitesse radiale en se servant du spectrographe à échelle SOPHIE pour confirmer l'existence de la planète candidate KOI-428b en 2010[120]. En 2011, la même équipe a confirmé la planète candidate KOI-423b[121].

Participation scientifique citoyenne[modifier | modifier le code]

Depuis décembre 2010, les données de la mission Kepler ont été utilisées pour le projet « Planethunters.org » de Zooniverse, qui permet à des volontaires de rechercher des transits dans les courbes lumineuses des images de Kepler, afin d'identifier des planètes que les algorithmes informatisés pourraient manquer[122]. Vers le mois de juin 2011, les utilisateurs avaient trouvé 69 planètes candidates potentielles qui n'avaient pas été reconnues auparavant par l'équipe de la mission Kepler[123]. L'équipe envisage de créditer publiquement les amateurs qui repèrent de telles planètes.

En janvier 2012, le programme de la BBC intitulé Stargazing Live (en anglais : observation des étoiles en direct) a diffusé un appel public au volontariat pour analyser les données de Planethunters.org à la recherche de nouvelles exoplanètes potentielles. Cela a conduit à la découverte d'une nouvelle planète de la taille de Neptune par deux astronomes amateurs. Cette planète portera leurs deux noms et s'appellera donc Threapleton Holmes B[124]. Selon certaines sources, 100 000 autres volontaires étaient engagés dans la recherche de Planethunters.org à la fin janvier 2012, analysant plus d'un million d'images de Kepler[125].

PlanetQuest, un projet de calcul distribué utilisant la plate-forme BOINC, devrait également permettre d'analyser les données recueillies par Kepler.

État de la mission[modifier | modifier le code]

En avril 2012, un comité indépendant de scientifiques seniors de la NASA a recommandé que la mission Kepler soit prolongée jusqu'en 2016. Selon leur analyse, il était nécessaire que les observations de Kepler se poursuivent au moins jusqu'en 2015 pour accomplir tous les objectifs scientifiques déclarés[126].

Le 14 novembre 2012, la NASA a annoncé l'achèvement le la mission première de Kepler et le début de sa mission étendue, qui pourrait durer jusqu'à quatre ans[127].

Le 15 août 2013, la NASA annonce son intention de renoncer à réparer les deux gyroscopes défaillants du télescope, signifiant de fait la fin de celui-ci[128].

Exoplanètes confirmées[modifier | modifier le code]

Les cinq premières exoplanètes de Kepler à l'échelle.

Outre la découverte de centaines d'exoplanètes candidates, le vaisseau Kepler a également signalé 26 exoplanètes dans 11 systèmes qui n'ont pas encore été ajoutées à l'Extrasolar Planet Database[129] (base de données des planètes extrasolaires). Les exoplanètes découvertes à partir des données de Kepler, mais confirmées par des chercheurs extérieurs, incluent KOI-423b[121], KOI-428b[120], KOI-196b[130], KOI-135b[131] KOI-204b[132] KOI-254b[133] KOI-730[134] et Kepler-42 (KOI-961)[135]. L'acronyme « KOI » indique que l'étoile est un Kepler Object of Interest, c'est-à-dire en anglais un objet d'intérêt de Kepler.

Aussi bien CoRoT[136] que Kepler[137] ont mesuré la lumière réfléchie par des planètes. Cependant, ces planètes étaient déjà connues puisqu'elles transitent devant leur étoile. Les données de Kepler ont permis la première découverte de planètes par cette méthode : KOI 55.01 et 55.02[138].

Kepler Input Catalog[modifier | modifier le code]

Article principal : Kepler Input Catalog.

Le Kepler Input Catalog (ou KIC) désigne le catalogue des entrées de Kepler. Il s'agit d'une base de données publiquement consultable d'environ 13,2 millions de cibles utilisées pour le Kepler Spectral Classification Program[139] et la mission Kepler[140],[141]. Le catalogue seul n'est par utilisé afin de trouver des cibles pour Kepler, car une partie seulement des étoiles listées (soit environ un tiers du catalogue) peut être observée par le vaisseau lui-même[140].

Les Kepler Objects of Interest (KOI) forment un sous-ensemble du Kepler Input Catalog (KIC). Pour être un KOI, une étoile doit montrer une perte de luminosité périodique.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Sur les autres projets Wikimedia :

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Missions et projets semblables (voir aussi la palette Projets de recherche d'exoplanètes)

Références[modifier | modifier le code]

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Lectures complémentaires[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Catalogues et bases de données de planètes extrasolaires