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LA MISSION SPATIALE ARIEL SÉLECTIONNÉE PAR L'AGENCE SPATIALE EUROPÉENNE

Le satellite d’observation des exoplanètes ARIEL vient d’être sélectionné par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) pour un lancement en 2028. Un chercheur, un ingénieur et une post-doctorante collaboratrice de l’IAP sont impliqués dans la conception et la construction du spectromètre d’ARIEL, confiées à des équipes françaises. ARIEL permettra de déchiffrer les propriétés des atmosphères des exoplanètes.

Le comité des programmes de l’Agence Spatiale Européenne vient de sélectionner la mission ARIEL (pour « Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey ») comme la 4e mission de classe intermédiaire (budget 450 millions d’euros) du programme « Cosmic Vision ». ARIEL sera lancé de la base de Kourou en Guyane et sera placé en orbite au point de Lagrange L2 (Figure 1), situé à 1,5 million de kilomètres de la Terre (Figure 2).

ARIEL est un télescope spatial qui sondera de manière systématique les atmosphères de 1000 planètes extrasolaires, depuis les géantes gazeuses jusqu’aux planètes rocheuses, qu’elles soient chaudes ou tempérées, autour d’étoiles de différents types. ARIEL mesurera la composition et la structure des atmosphères planétaires, contraindra la nature des cœurs planétaires, détectera la présence de nuages et étudiera les interactions avec l’étoile hôte.

La mission ARIEL a été proposée par un consortium de plus de 60 instituts dans 15 pays européens. La coordination scientifique et technique est assurée par le Royaume-Uni (sous la responsabilité de Giovanna Tinetti, professeure à l’University College London, et ancienne post-doctorante à l’IAP). Les deux partenaires principaux sont la France et l’Italie, accompagnés de la Pologne, l’Espagne, les Pays-Bas, la Belgique, l’Autriche, le Danemark, l’Irlande, la Suède, la Hongrie, la République Tchèque, l’Allemagne, le Portugal. Une contribution des États-Unis est actuellement à l’étude.

Le processus de sélection par l’ESA s’est déroulé en plusieurs étapes :

ARIEL sera composé d’un télescope d’environ un mètre de diamètre pour collecter la lumière visible et infrarouge d’étoiles autour desquelles orbite une exoplanète. Un spectromètre étalera cette lumière en longueur d'onde, produisant un spectre (Figure 3). Lorsque l’exoplanète passera devant son étoile, des bandes d’absorption causées par les molécules présentes dans l’atmosphère de l’exoplanète se superposeront au spectre de l’étoile et permettront d’analyser l’atmosphère de l’exoplanète.

En 2007, de la vapeur d’eau, puis du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone furent détectés dans l’atmosphère du Jupiter chaud HD189733b grâce aux satellites Spitzer, puis Hubble. Des études débutèrent dès 2008, avec l’objectif de disposer d’instruments dédiés et optimisés pour l’étude des atmosphères planétaires. Puisant dans l’expertise accumulée, les équipes françaises sous la direction de Jean-Philippe Beaulieu (IAP), ont pris une part très importante dans les études d’ARIEL à partir de 2015, et contribué de façon déterminante à l’élaboration de la proposition scientifique. Cela a conduit les équipes françaises à prendre la responsabilité de la conception et de la fabrication du spectromètre infrarouge au cœur du satellite, de réaliser des simulations des spectres observés (Camilla Danielski, de l'Observatoire de Paris et de l’IAP) et des scénarios de la mission (études menées par Andréa Moneti de l’IAP et des collaborateurs du CNES). Le spectromètre sera construit sous la maitrise d’ouvrage du CNES et la maîtrise d’œuvre du CEA (responsable Pierre-Olivier Lagage, Département d’Astrophysique au CEA-Irfu, UMR AIM Paris-Saclay), de l’IAS (responsable Marc Ollivier), avec une contribution du Laboratoire d'Études Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique, de l'Observatoire de Paris (responsable Pierre Drossart). Un cinquième laboratoire français est impliqué dans la construction de cet instrument, le Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux.



Figure 1 : ARIEL sera en orbite autour du point de Lagrange L2, à 1.5 millions de kilomètres de la Terre. C’est un point d’équilibre par rapport à la gravitation combinée exercée par le Soleil et la Terre, et qui est régulièrement utilisé pour les observatoires astronomiques, pouvant ainsi observer dans une direction simultanément opposée au Soleil et à la Terre (Planck, et le futur JWST). À noter que les échelles ne sont pas respectées dans cette figure, la distance entre le Soleil et la Terre étant d’environ 150 millions de kilomètres, soit en réalité 100 fois plus grande que la distance du point L2 à la Terre (et le Soleil est environ 100 fois plus gros que la Terre).

Crédit : ESA/STFC RAL Space/UCL/Europlanet-Science Office


Figure 2 : Vue d’artiste d’ARIEL (à droite) en route pour le point de Lagrange L2 (avec le Soleil à gauche et la Terre au centre). On voit le bouclier thermique du satellite le protégeant du Soleil.

Crédit : ESA/STFC RAL Space/UCL/Europlanet-Science Office


Figure 3 : La lumière de l’étoile hôte d’une l’exoplanète observée par ARIEL est filtrée par l’atmosphère de la planète qui se trouve sur la ligne de visée entre le télescope et l’étoile. ARIEL détectera ainsi les molécules présentes dans les atmosphères de 1000 exoplanètes grâce à des observations spectroscopiques : la lumière est dispersée à la facon d’un arc-en-ciel, et permet de mesurer la luminosité émise en fonction de la longueur d’onde ; on peut alors repérer des raies caractéristiques des atomes et molécules connues sur Terre. Ces observations permettent de déduire la composition chimique, la température et la pression dans l’atmosphère de la planète observée.

Crédit : ESA/C.Carreau and ATG medialab

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Mars 2018

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