Imagerie à haut contraste

La détection par imagerie d’une planète comparable à la Terre autour d’une étoile comme le Soleil n’est pas possible avec la technologie dont nous disposons actuellement. En effet, la lumière réfléchie par la Terre est 10 milliards de fois moins brillante que celle émise par le Soleil; aucun instrument ne permet de détecter une source aussi faible située si près d’une autre aussi brillante. Il en va de même pour les planètes géantes, comme Jupiter, qui reflètent plus de lumière que les planètes terrestres — environ 100 fois plus — mais qui demeurent elles aussi hors de portée des instruments actuels.

Dans le cas d’un système planétaire naissant, la situation s’améliore. En effet, au moment de leur formation, la température des planètes géantes est de l’ordre de 3000 °C. Elles se refroidissent rapidement au cours des millions d’années qui suivent en émettant de la lumière, principalement dans le domaine infrarouge. Pendant cette phase de refroidissement, le rapport de brillance entre l’étoile et une planète est d’environ 100 000 à 1 million. La détection par imagerie demeure un défi qui est toutefois à la portée de la technologie actuelle.

Des débuts difficiles

Les travaux visant la détection directe d’exoplanètes ont débuté à l’Université de Montréal il y a une quinzaine d’années. Pendant sa thèse, Christian Marois, sous la direction de René Doyon et Daniel Nadeau, a construit l’instrument TRIDENT, qui visait la détection d’exoplanètes. L’instrument, qui a été utilisé à quelques reprises au télescope CFH, n’a pas mené à la découverte d’exoplanètes. Cependant, la compréhension très détaillée des problèmes ayant limité la sensibilité de TRIDENT a permis à l’équipe de l’UdeM de proposer différentes techniques pour améliorer de façon importante la sensibilité des instruments d’imagerie à haut contraste.

À la suite de l’expérience de TRIDENT, Christian Marois et l’équipe de l’Institut ont développé deux techniques : l’imagerie différentielle angulaire (ADI en anglais) et la combinaison d’image optimisée (LOCI en anglais). La combinaison de l’ADI et du LOCI permet de gagner un facteur 30 et plus en sensibilité par rapport aux techniques utilisées auparavant. L’ADI et le LOCI sont maintenant reconnues comme les techniques les plus efficaces pour l’observation et l’analyse des données dans le domaine de l’imagerie à haut contraste et les découvertes récentes d’exoplanètes par d’autres équipes ont largement profité des progrès réalisés par l’équipe de l’Institut (exemples : 1, 2, 3, 4, 5).

HR 8799 et 1RXS J1609-2105; les premières découvertes


Figure 1. L’étoile 1RXS J1609-2105 (au centre) et sa planète géante (en haut à gauche) découverte par David Lafrenière en 2008. Des observations complémentaires publiées en 2010 ont permis d’identifier plusieurs molécules dans son atmosphère, dont la vapeur d’eau et le monoxyde de carbone.

L’élaboration de nouvelles techniques d’observation et de traitement de données a permis à l’équipe de l’Institut de mener l’un des premiers relevés à grande échelle pour établir la fréquence des exoplanètes massives autour des étoiles jeunes du voisinage solaire. Le relevé GDPS mené par David Lafrenière a permis d’établir que de telles planètes sont rares et que moins de 10 % des étoiles ont une exoplanète de 0,5 à 10 fois la masse de Jupiter à la limite externe des systèmes planétaires.

Les premiers succès de l’équipe dans la détection directe de planètes ont été obtenus grâce aux travaux de David Lafrenière, qui a recensé les compagnons planétaires autour des étoiles dans l’amas jeune d’Upper Scorpius. À partir de ses observations menées à l’observatoire Gemini Nord à Hawaii, il a obtenu la première image d’une planète autour d’une étoile comme le Soleil (Figure 1).

Un autre relevé autour d’étoiles plus chaudes que le Soleil et mené par Christian Marois en collaboration avec David Lafrenière, René Doyon et une équipe internationale, a permis la découverte d’un système planétaire qui demeure à ce jour unique dans les anales de l’astronomie; l’équipe a identifié trois planètes géantes (7 à 10 fois la masse de Jupiter) autour de HR 8799, une étoile un peu plus massive que le Soleil. Le développement du LOCI a aussi permis à l’équipe de l’Institut de redécouvrir 2 des planètes de HR8799 dans des données obtenues par le télescope Hubble en 1998, et qui n’avaient pu être détectées à l’époque faute d’outils d’analyses suffisamment puissants. Le système de HR 8799 a été l’objet de nombreuses études depuis sa découverte, la publication initiale décrivant le système ayant été citée des centaines de fois dans les publications astronomiques publiées depuis.

Le Gemini Planet Imager

L’équipe de l’Institut est impliquée dans le projet GPI (Gemini Planet Imager), un instrument installé en 2013 à l’observatoire Gemini Sud au Chili. Il s’agit d’un appareil beaucoup plus sensible que ceux qui étaient précédemment en fonction sur les grands télescopes. GPI dispose de plusieurs composantes dont un système d’optique adaptative extrême, un module sophistiqué de calibration interne et un spectrographe fonctionnant entre 1 et 2,4 µm qui lui donne la capacité de détecter des planètes beaucoup moins massives que celles qu’il était possible de détecter lors des campagnes d’observation antérieures. L’équipe de l’Institut a construit le spectrographe de GPI et contribué à l’élaboration des algorithmes d’analyse des données de GPI. Ces algorithmes sont largement inspirés du LOCI et de l’ADI. Julien Rameau, chercheur postdoctoral au sein de l’Institut, travaille activement à l’analyse des observations obtenues avec GPI, notamment à l’étude de la planète 51 Eridani b, une jeune planète géante d’environ 2 fois la masse de Jupiter détectée en 2015 avec l’instrument.

Le futur : JWST

L’équipe de l’Institut a aussi développé l’instrument NIRISS pour le télescope JWST. NIRISS dispose d’un élément unique : un masque non redondant (NRM en anglais) qui ne laisse passer que 15 % de la lumière d’une étoile sur des sections judicieusement choisies du miroir du télescope. Le NRM permet de s’affranchir de plusieurs problèmes observationnels qui limitent la sensibilité de détection des planètes et de repérer des planètes beaucoup plus près de leur étoile que ne le pourraient les autres modes d’observation du JWST. Ce mode fonctionne à une longueur d’onde de 4 µm, difficilement accessible à partir de télescope au sol. Les données NRM permettront, entre autres, de mesurer le flux infrarouge de plusieurs des planètes découvertes par GPI. Étienne Artigau est responsable de ce mode au sein de l’équipe de l’Institut.