Bioastronomie - Le projet PlanetQuest

 

http://www.astrosurf.com/luxorion/bioastro-recherche-planetes-habitables.htm

 

Le projet PlanetQuest

PQ Collaboratory : aux limites de la Science (II)

Décrivons à présent les différents méthodes d'analyse utilisées par le logiciel "Collaboratory" et la manière dont il identifie une exoplanète potentielle ou un nouveau type d'étoile variable.

1. La méthode de transit photométrique

Le projet PlanetQuest est l'aboutissement de près de 15 années de recherches dans le domaine des exoplanètes. Depuis la découverte des premières exoplanètes, l'ensemble des collaborateurs de ce projet ont publié plus de 100 articles scientifiques sur le sujet. 

The first exoplanet ever discovered. A G2 star 1.4 Rs with 1 exoplanet of 0.5J at only 0.05 AU. F7 star 1.6 Rs with 1 exoplanet of 4.1J at 0.05 AU. G8 star 0.9Rs with 4 exoplanets: 14x Earth at 0.04 AU, 0.8J at 0.1 AU, 0.2J at 0.2 AU, 3.9J at 5.2 AU.

Illustrations artistiques de trois transits d'exoplanètes de différentes tailles. De gauche à droite, 51 Pégasi, Tau Bootis et 55 Cancri. En pratique on ne pourra jamais atteindre cette résolution sans exploiter des télescopes orbitaux de taille kilométrique mais le transit de l'exoplanète est tout à fait détectable par des moynes photométriques depuis un observatoire terrestre. Documents T.Lombry.

Les télescopes utilisés par PlanetQuest sont suffisamment grands (0.9-2 m d'ouverture) pour détecter la lumière de très faibles étoiles comme des étoiles naines rouges de classe M. Ces étoiles en cours d'évolution ou trop peu massives pour atteindre l'âge de la maturité sont cent fois moins brillantes que le Soleil et jusqu'à 20 fois plus petites que lui. Comment peut-on détecter une exoplanète en transit devant des astres aussi pâles ? Prenons une analogie.

Si un papillon de nuit vole devant un projecteur, la perte de luminosité sera relativement faible. Mais s'il vole devant une lampe de poche, la perte d'éclat sera beaucoup plus importante. Le même principe s'applique aux systèmes exoplanétaires. Lorsqu'une exoplanète (le papillon) passe en transit devant une étoile de type solaire (projecteur), il faut disposer d'une méthode de détection plus précise pour observer un changement de luminosité que lorsque le transit se produit devant une étoile naine de classe M (la lampe de poche). PlanetQuest sera capable de détecter des exoplanètes de taille terrestre autour des plus petites étoiles qu'il pourra percevoir.

Aujourd'hui tout le monde est impatient de découvrir des exoplanètes de la taille de la Terre et de découvrir leurs propriétés, notamment la composition de leur atmosphère, de leur surface éventuelle et si elles se situent dans la zone habitable. Si les deux premières caractéristiques seront probablement trop difficiles à évaluer pour les instruments actuels, la troisième permettrait déjà aux astronomes de prédire l'existence éventuelle d'eau sous forme liquide à leur surface. En conséquence, cela signifierait qu'il s'agirait de candidates très sérieuses pour des planètes potentiellement habitables !

Dessin basé sur un concept de la NASA.

Mais avant de parvenir à cet éventuel résultat très ambitieux, l'équipe de PlanetQuest a dû mettre au point une méthode d'analyse de transit photométrique (PTM) et la convertir ensuite dans un format compatible avec BOINC. C'est la tâche à laquelle les programmeurs ont travaillé jusqu'en 2006.

La méthode PTM recherche un pic de brillance qui signalerait le transit d'une exoplanète devant son étoile. Mais pour que cet événement se produise, l'exoplanète doit pratiquement se situer dans l'axe de visée reliant la Terre à l'étoile. On estime qu'entre 0.5 et 10% seulement des orbites planétaires présenteront cette géométrie, une valeur qui dépend de la taille de l'orbite planétaire et de la dimension de l'étoile hôte. En effet, si l'étoile est trop petite et l'exoplanète trop éloignée de l'étoile, nous avons toutes les chances de rater l'événement.

Le principal avantage de cette méthode est qu'au lieu d'essayer de détecter des exoplanètes autour d'une seule étoile à la fois (comme on le fait actuellement par la méthode de la vitesse radiale qui a permis de découvrir la majorité des exoplanètes cataloguées), elle permet d'observer des dizaines de milliers d'étoiles simultanément ! Ceci est possible parce que le système se focalise sur des régions stellaires très denses de la Voie Lactée qu'il photographie en haute résolution au moyen de télescopes de grands diamètres et de courtes focales, c'est-à-dire offrant un champ de vision étendu. On reviendra en troisième page sur les différents observatoires affiliés à ce projet.

Chaque photographie est enregistrée par une caméra CCD qui couvre un champ comprenant plusieurs dizaines de milliers d'étoiles. Il "suffit" ensuite de balayer le cliché pour mesurer la variation d'éclat de chaque étoile au cours du temps et d'analyser la courbe lumineuse à la recherche d'événements suspects. Bien sûr ce travail s'effectue de manière digitale et non plus comme jadis en comparant des photographies au comparateur ou avec une sonde photométrique balayant une photographie ou une image scannée. 

Ce travail d'analyse très conséquent représente l'algorithme de détection de transit (TDA).

2. L'algorithme de détection de transit

L'algorithme TDA est un produit excessivement complexe et relativement lourd en terme de programmation. Ce programme est tellement efficace que la NASA l'a choisi et adapté à la mission de l'observatoire orbital Kepler qui devrait rechercher des exoplanètes de la taille de la Terre à partir de 2008.

Comment fonctionne l'algorithme TDA ? Le traitement est divisé en 3 étapes :

- La première étape isole la brillance de l'étoile candidate des autres étoiles proches. Si les conditions d'observation sont mauvaises (turbulence notamment) le disque stellaire va s'étaler et le système devra utiliser une fonction PSF qui va permettre d'isoler le centre du disque stellaire et de calculer la brillance de la surface avoisinante.

A gauche, courbe lumineuse de l'étoile HD209458 Pegasi obtenue par le HST et analysée par l'équipe de Timothy Brown et al. Le "dip" (la déclivité, le creux) est typique du transit d'une exoplanète géante et fut découvert par l'équipe d'Alfred Vidal-Madjar en 2003. Dans ce cas-ci elle présente 1.35 fois le rayon de Jupiter mais son atmosphère s'étend jusqu'à 4.5 rayons de Jupiter, ce qui a conduit les astronomes à la surnommer Osiris tellement elle était particulière. A titre de comparaison, en bleu on a représenté le dip qu'aurait provoqué une planète de la taille de la Terre. A droite, présentation 3D de la courbe lumineuse d'une étoile enregistrée en temps réel. Le pic calculé statistiquement correspond vraisemblablement au passage d'une exoplanète. C'est ce genre de découverte que pourra réaliser le programme "Collaboratory". Documents PlanetQuest.

- La seconde étape va examiner en détail la courbe lumineuse de l'étoile. Cela permet notamment de déterminer s'il s'agit d'une étoile variable, et de quel type, et de différencier toute variation de brillance intrinsèque d'une variation d'éclat provoquée par un transit planétaire. Il existe actuellement quelque 200 types d'étoiles variables et toute découverte réalisée par PlanetQuest représentera une contribution scientifique significative qui entrera dans les annales de l'histoire de la recherche astronomique, et c'est ici que chaque utilisateur peut voir son travail gratifié en attribuant un nom à une étoile. Notons que l'étude des étoiles stables est également treès importante car elles servent de référence pour l'estimation des magnitudes et sont des cibles potentielles pour SETI en raison de l'existence des zones habitables.

- La troisième étape consiste à vérifier si les modèles des différentes périodes de révolutions planétaires correspondent aux plus petites échelles des variations observées dans les courbes lumineuses qui pourraient indiquer la présence d'une exoplanète en transit devant l'étoile. Etant donné que plusieurs phénomènes différents peuvent provoquer un scintillement stellaire (l'atmosphère terrestre, des changements de conditions dans l'observatoire, la variabilité stellaire elle-même), pour détecter une exoplanète il faut comparer la courbe lumineuse de l'étoile avec des millions de modèles de transits afin d'écarter toute méprise et erreur d'interprétation. Si la correspondance (le "fit") obtenue par le TDA est réellement bonne et épouse parfaitement la courbe lumineuse réelle, on peut considérer que la candidate découverte par le logiciel doit être classée parmi les exoplanètes potentielles. Le logiciel va ensuite contacter le siège de PlanetQuest qui attribuera le crédit au découvreur lorsque l'existence de l'exoplanète sera confirmée. En théorie il peut s'écouler de quelques mois à plus d'un an pour confirmer une découverte.

Implémentation du Collaboratory sur votre ordinateur

Sur le plan pratique, ces trois étapes du traitement sont implémentées dans le logiciel "PQ Collaboratory" que les utilisateurs pourront télécharger sur leur ordinateur et attacher ensuite à  l'interface BOINC Manager qu'ils auront téléchargé au préalable chez BOINC.

Télécharger BOINC

Laurance Doyle appelle son logiciel un "Collaboratory" car il représente l'idée d'une collaboration entre des personnes et des moyens astronomiques et mathématiques (les observatoires et les logiciels) à la recherche de nouvelles exoplanètes ou d'étoiles.

Le "Collaboratory" est complété par des bibliothèques de routines standards propre à votre système d'exploitation afin d'assurer l'interface avec l'utilisateur et l'échange d'information avec BOINC Manager, ce dernier planifiant uniquement les projets et assurant les communications.

Le "Collaboratory" tire avantage de l'informatique distribuée en exploitant les cycles CPU non utilisés des ordinateurs des internautes ayant souscrit au projet. Mais PlanetQuest est plus qu'un simple "screensaver" comme peut l'être SETI, LHC ou Einstein@home.

PlanetQuest se différencie des autres projets distribués par le fait qu'il analyse les données de 10 télescopes répartis à travers le monde et dédiés à ce projet, ce qui a nécessité un gros investissement d'argent sur lequel nous reviendrons.

Le "Collaboratory" contient les modèles numériques de 147 types différents d'étoiles et de toutes les exoplanètes découvertes à ce jour. Il ira chercher les données brutes enregistrées par ses différents télescopes, téléchargera les données de brillance des étoiles et recherchera les algorithmes qui correspondent le mieux à l'étoile ou à l'exoplanète en cours d'analyse. Si l'objet suspect correspond aux calculs, une alerte sera envoyée au QG de PlanetQuest pour complément d'analyse.

Une autre différence qui fait l'originalité de PlanetQuest par rapport aux autres projets distribués est le fait que Doyle et son équipe souhaitent impérativement que le "Collaboratory" soit beaucoup plus interactif que les projets distribués actuels qui tournent pour la plupart comme tâche de fond sur les ordinateurs des particuliers sans la moindre interaction avec l'utilisateur.  

Le "Collaboratory" offre à chaque utilisateur un moyen simple et efficace pour enregistrer ses observations, pour comprendre ce qu'il a éventuellement découvert et partager sa découverte éventuelle avec le monde entier !

A gauche, sur base des mesures photométriques, le logiciel Collaboratory trace point par point la courbe de luminosité de l'étoile. Le 'dip" peut avoir plusiezurs origines : une variation intrinsèque de la luminosité de l'étoile (dans ce cas il s'agit d'une étoile variable), soit du transit d'une étoile binaire à éclipse soit d'une exoplanète, événement que le logiciel devra déterminer. A droite, l'identification des étoiles dans le voisinage de l'étoile CM Draconis en cours d'analyse. L'image correspond au champ stellaire réel photographié par la caméra CCD de l'un des télescopes affilié au projet. Documents PlanetQuest.

Sur votre écran d'ordinateur le logiciel "Collaboratory" affichera les caractéristiques de l'étoile étudiée et sa désignation, complétées par une image digitalisée de la région stellaire et différents paramètres comme la couleur de l'étoile, sa dimension, sa distance, son type spectral, le type éventuel de variable, etc. Les utilisateurs pourront également interroger le système sur les autres étoiles du champ, bref votre ordinateur va se transformer en véritable observatoire décentralisé ! Vous en apprendrez ainsi beaucoup plus sur les étoiles à travers PlanetQuest que vous en avez jamais lu dans les livres spécialisés ou les catalogues !

C'est en ce sens que PlanetQuest va se transformer en un immense observatoire mondial et en superordinateur virtuels où les utilisateurs eux-mêmes, les "PlanetQuesters", auront l'opportunité de réaliser des découvertes !

Confirmation de la découverte

Que se passe-t-il lorsqu'un événement est détecté par le programme "Collaboratory" ? Nous avons expliqué qu'un alerte est envoyée à PlanetQuest. Mais cela ne signifie pas encore que vous avez découvert une exoplanète ou un nouveau type d'étoile variable. Cela signale simplement aux responsables du projet qu'il convient de réexaminer cette étoile car l'événement est suspect.

Ne vendez pas trop vite la peau de l'ours...

Si le logiciel "Collaboratory" a découvert quelque chose de suspect, ne vous emballez pas tout de suite pour en informer toute la famille et vos amis dans l'heure ! En effet, passé le premier moment d'excitation, on peut imaginer que vous souhaiterez légitivement en parler autour de vous. Certains n'en dormiront plus jusqu'à l'annonce officielle, ou le démenti...

Car méfiez-vous de vendre la peau de l'ours avant de l'avoir tué; en d'autres temps des astronomes l'ont appris à leurs dépens... Conservez votre calme et votre sérénité et attendez que le minutieux travail d'enquête soit achevé avant de vous risquer à discuter en public de cette découverte.

Par nature les scientifiques sont sceptiques et ont besoin de preuves pour se prononcer sur un événement. Ils exigent que l'on travaille dans un cadre formel en suivant des protocoles rigoureux et objectifs. Même si l'algorithme TDA compte parmi les plus performants, pour une raison qui restera à déterminer, le système pourrait détecter un phénomène qui n'a rien à voir avec son objet d'étude et notamment mal interpréter une donnée qui s'avérera par exemple être un artefact sur les enregistrements voire même des parasites. C'est la procédure complémentaire de vérification qui éliminera ces erreurs éventuelles.

Cette procédure de contrôle est indispensable à la bonne marche de la Science. Elle vaut mieux que des annonces non confirmées intempestives et tout azimut qui ruineraient la crédibilité du projet et vous ridiculiseraient aux yeux de tous...

Vous devez également relativiser la découverte. Si dans l'absolu il est très valorisant de découvrir quelque chose, quand bien même la découverte serait importante en soi pour les astrophysiciens, ce ne sera qu'une exoplanète de plus dans un catalogue qui en contient déjà quelques centaines dont beaucoup sont très difficiles à observer en étant optimiste. La découverte sera également plus relative pour les chercheurs des autres disciplines et jamais aussi importante que la découverte de la roue, ou plus modestement de Pluton !

Annonce officielle par le CBAT

Admettons que vous ayez une "bonne étoile" comme le disent les astronomes (ou plutôt les astrologues!) et que vous ayez la chance de découvrir un objet suspect. Lorsqu'une alerte sera envoyée à l'équipe de PlanetQuest, des astronomes la prendront en charge et effectueront immédiatement des analyses complémentaires. Si nécessaire ils feront appel à des télescopes plus puissants ou réanalyseront l'étoile avec des méthodes d'analyses différentes pour tenter de confirmer l'événement. Ensuite c'est par les formules de la mécanique céleste dans le cas des exoplanètes et de l'astrophysique stellaire dans le cas des étoiles que les paramètres physiques de l'astre seront déterminés. Une dernière simulation comparera ces valeurs aux données brutes pour confirmation.

Grâce au travail des membres de PlanetQuest et éventuellement de la communauté des astronomes, en moins d'un mois tout participant devrait savoir s'il a découvert ou non une exoplanète.

La découverte éventuelle sera officiellement annoncée par le CBAT. Un peu plus tard, l'UAI validera probablement le nom proposé pour cet astre. Avec un peu de chance quelques mois plus tard vous lirez dans la rubrique "Astronomical Headlines" (les titres) du CBAT, dans la presse et les catalogues spécialisés de PlanetQuest, de la NASA et du CNRS que cette exoplanète porte dorénavant votre nom ou celui que vous avez choisi !

Toutefois, il n'existe acun arrangement ni accord formel entre PlanetQuest et l'UAI qui offrirait la garantie que le nom suggéré sera celui assigné à cette exoplanète. Même les professionnels, et Doyle en a fait l'expérience, ont constaté que le nom qu'ils avaient proposé n'a pas toujours été retenu par le comité de l'UAI. Voyez par exemple ce qui est advenu à Xéna, la planète naine 2003 UB313 qui a finit par s'appeler Eris alors que de nombreux astronomes et le public s'étaient déjà habitués à son premier nom et n'appréciaient pas ce changement (par ailleurs on peut facilement confondre Eris avec Eros). On verra dans quelques années si son nom n'est pas modifié. Ceci dit, sachant que l'UAI a déjà attribué aux astéroïdes les noms de nombreuses stars du Rock & Roll et d'astronomes amateurs et assigne d'office le nom de son découvreur aux comètes, dans le cas des exoplanètes, on peut donc avancer qu'il y a bonnes chances que le nom proposé par l'amateur soit retenu par l'UAI mais on ne peut pas le certifier. En revanche, Doyle "promet d'utiliser le nom de l'amateur dans le catalogue PQ".

Ainsi, pour vous remercier de votre participation et d'avoir découvert indirectement un nouvel astre qui peut s'avérer très intéressant pour l'astrophysique, votre nom sera inscrit en lettre de feu dans le ciel pour l'éternité ! C'est l'une des plus belles récompenses à laquelle puisse aspirer un astronome, qu'il soit professionnel ou un amateur passionné... Alors ne ratez pas cette opportunité, 

Adhérez à PlanetQuest, c'est de la Science !

Cette recherche et cet échange d'informations permettront également dans la foulée de mettre automatiquement à jour le catalogue astrophysique géré par PlanetQuest et que les adhérents pourront consulter en ligne.

Si la finalité de PlanetQuest n'est pas de dresser un annuaire des amateurs - les pages blanches des P&T ainsi que les principales associations d'astronomie le font très bien -, cette généreuse offre proposée par PlanetQuest en accord avec l'UAI de donner votre votre nom à une exoplanète est un argument qui devrait inciter de nombreux internautes à participer à ce projet original qui, ne l'oublions pas, poursuit avant tout un but scientifique.

Voyons pour terminer quels sont les télescopes disponibles pour ce projet et, nerf de la guerre, ce que coûte PlanetQuest et comment Laurance Doyle a trouvé les subsides nécessaires à son démarrage et sa maintenance.

Dernier chapitre

Les télescopes



24/11/2007
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