Vers la détection d’exoplanètes habitables

Vue d'artiste de l'interféromètre en frange noire Pégase : la planète sur une frange brillante est isolée de l'étoile voisine masquée par une frange sombre (et dont on perçoit le halo lumineux). Crédit Cnes.

La recherche de planètes hors du système solaire est une branche très active de l'astronomie. Depuis 1995, des centaines d'exoplanètes ont été découvertes, et pour certaines d'entre elles des composants atmosphériques ont pu être identifiés par spectroscopie. Mais pour des exoplanètes de type terrestre, offrant un environnement susceptible d'héberger la vie, l'analyse spectrale est très complexe car il faut isoler le faible flux émis par la planète du fort flux de son étoile hôte très proche.

Une des rares solutions permettant cette observation est l'interférométrie en frange noire dans l'espace. Il s'agit d'observer le système avec deux (ou plus) sous-pupilles, recombinées de manière à annuler la lumière issue de l'étoile hôte par interférences destructives, mais dont l'ajustement de l'orientation et de la séparation rend l'interférence constructive pour la

planète.

La difficulté est caractérisée par le taux d'extinction de l'étoile, devant atteindre 10^-6 pour des planètes telluriques dans l'infrarouge. L'obtention d'un tel taux nécessite un interféromètre quasi-parfait et un contrôle nanométrique de la différence de marche* entre les sous-pupilles, séparées de quelques dizaines de mètres et portées par des satellites en formation soumis à diverses perturbations (poussée solaire, vibrations, dérives thermiques). Ces opérations en temps-réel sont l’objet du système de cophasage mis au point par l’Onera.

Le banc Persée, opérationnel à l'Observatoire de Meudon depuis fin 2010, a pour but de valider la faisabilité de telles missions spatiales, en démontrant au sol une extinction de l’étoile hôte meilleure que 10^-4, stabilisée à 10^-5 en présence de perturbations représentatives injectées à dessein.

Le banc Persée, fruit d’un partenariat Cnes, Onera, Institut d'Astrophysique Spatiale, Thales Alenia Space et Observatoires de Paris et de la Côte d'Azur, financé par le Cnes avec le soutien de la région Ile-de-France. Ici, le banc en phase d'alignement par Julien Lozi et Emilie Lhomé du LESIA

 Les résultats obtenus en 2011 sont largement au delà des espérances puisque sur une durée de 100 s, un taux d'extinction 8,8 10-6 avec une stabilité de 9 10-8 a pu être obtenu, établissant un nouveau record du monde. Une mesure longue durée a conduit à un taux d'extinction moyen de 10-5 avec une stabilité de 8.10-7 pendant 7 heures.



Ces performances proviennent d'une définition minutieuse du banc et d'un contrôle sub-nanométrique de la différence de marche (pouvant atteindre 0,33 nm rms). L'Onera y a largement contribué par sa responsabilité de l'analyse système, la participation à la définition de l'interféromètre et la livraison du système de contrôle temps-réel des perturbations.



Travaux menés par Julien Lozi, actuellement en thèse co-financée par le Cnes et l'Onera. Directeur de thèse : Marc Ollivier [IAS], co-directeur de thèse : Frédéric Cassaing, du département Optique théorique et appliquée de l'Onera.





* En optique ondulatoire, la différence de marche entre deux rayons lumineux issus de la même source est la différence des chemins optiques parcourus par ces deux rayons. L'interférence de deux rayons lumineux qui se rencontrent dépend en effet du retard qu'ils présentent l'un par rapport à l'autre.