Photographier une planète qui orbite autour d'une autre étoile revient à repérer une luciole collée à un projecteur. C'est ce problème que s'attaque une équipe internationale dirigée depuis la Northwestern University, aux États-Unis, dont les travaux paraissent le 4 novembre dans la revue Nature. Leur méthode, baptisée FLIP, promet de détecter des mondes jusqu'ici noyés dans l'éblouissement de leur étoile, et de préparer le terrain pour la recherche de planètes de type terrestre.
Un problème de contraste, pas de puissance
La grande majorité des exoplanètes connues ont été découvertes de façon indirecte, en mesurant l'effet qu'elles produisent sur la lumière de leur étoile, comme lors d'un transit. Selon un article de référence en traitement d'images astronomiques déposé sur arXiv, seulement environ un dixième des quelque 5 000 exoplanètes alors recensées l'avaient été par imagerie directe, c'est-à-dire en captant leur propre faible lueur. Les méthodes indirectes dépendent d'un alignement précis entre la planète, l'étoile et l'observateur, et elles favorisent les planètes proches et massives.
L'imagerie directe offre un avantage majeur : elle donne accès à la lumière de la planète elle-même, donc à des informations sur son atmosphère. Mais elle se heurte à un mur. Selon le communiqué de la revue Nature relayé par Scimex, même les plus brillantes des jeunes planètes géantes sont environ 100 000 fois plus faibles que leur étoile hôte. Pour une planète comparable à la Terre, l'écart est incomparablement plus grand.
Comment FLIP retire la lumière de l'étoile
Les techniques habituelles soustraient de l'image une estimation de la lumière stellaire, à partir de modèles ou d'images de référence d'autres étoiles. Le problème, expliquent les auteurs cités par The Register, est que de minuscules variations de l'optique du télescope laissent une lueur résiduelle qui peut masquer une planète.
L'équipe dirigée par Rodrigo Ferrer-Chavez a donc combiné un modèle physique du télescope et des techniques d'optimisation issues de l'apprentissage automatique. Le cadre FLIP, pour Physics-based Learning for Imaging Planets, modélise le trajet de la lumière dans l'instrument, corrige les imperfections optiques et simule l'éblouissement à soustraire.
Selon le communiqué relayé par Nanowerk, la méthode crée un « jumeau numérique » du télescope, une réplique virtuelle qui simule le trajet de la lumière stellaire à travers les miroirs jusqu'aux détecteurs. D'après hyper.ai, l'algorithme ajuste des millions de paramètres physiques afin de tenir compte de défauts causés par des variations thermiques, des vibrations du système de refroidissement et d'autres effets mécaniques infimes. En comparant la lumière simulée aux observations réelles, on peut retrancher l'éblouissement avec une bien plus grande précision.
Il faut noter une nuance : il ne s'agit pas d'une intelligence artificielle qui « devine » la planète. L'apprentissage automatique sert ici d'outil d'optimisation au service d'un modèle physique, ce qui limite le risque de fabriquer de faux signaux. Les approches purement statistiques, entraînées sur des bibliothèques d'images, existent par ailleurs depuis plusieurs années.
Des gains de 2 à 15 fois, testés sur des données de Webb
Les chercheurs ont appliqué FLIP à des observations de la caméra proche infrarouge NIRCam du télescope spatial James Webb. Dans l'article publié dans Nature, ils indiquent obtenir une sensibilité de 2 à 15 fois supérieure à celle des techniques standards. Les gains varient selon les cas : pour l'étoile TYC 5899, FLIP offre environ 15 fois plus de sensibilité que la méthode de référence KLIP à 0,5 seconde d'arc, et environ 5 fois à 1 seconde d'arc.
La démonstration la plus parlante concerne 51 Eridani b, une planète géante déjà connue. Selon The Register, FLIP a produit la première image de cet objet à une longueur d'onde infrarouge de 4,3 micromètres, là où les traitements conventionnels avaient échoué. Les données dataient de deux ans : rien n'a été réobservé, la planète était simplement cachée dans des images déjà archivées. Selon hyper.ai, cette longueur d'onde est une région où le dioxyde de carbone absorbe fortement la lumière, ce qui en fait un indicateur précieux pour étudier la composition atmosphérique.
À court terme, les auteurs écrivent que ce gain sera notable pour la découverte et la caractérisation de planètes avec Webb, en donnant accès à des géantes plus faibles, donc plus froides, moins massives ou plus âgées.
Vers les « exo-Terres »
L'ambition à plus long terme est de voir des planètes semblables à la nôtre. Les auteurs soulignent que leur approche constitue un pas notable vers l'imagerie d'exo-Terres avec de futurs observatoires. Selon le résumé publié par la presse scientifique chinoise (Sina Tech, reprenant le quotidien Science Times), la méthode pourrait aussi servir à moderniser des observatoires au sol et à imager des corps de type terrestre dans des missions comme l'Habitable Worlds Observatory.
Ce projet de la NASA, que décrit le magazine Aerospace America, vise à observer des planètes semblables à la Terre. Il exigerait un coronographe capable de supprimer la lumière de l'étoile d'un facteur de 10 milliards, soit un nouveau saut de deux ordres de grandeur par rapport à l'état de l'art actuel. Le télescope, lui, ne serait pas lancé avant le début des années 2040.
C'est là que le traitement logiciel prend son sens. Le matériel supprime l'essentiel de la lumière, et le calcul traite ce qui reste. Plus ce résidu est bien modélisé, moins l'instrument doit être parfait, ce qui peut desserrer certaines contraintes très coûteuses.
Les limites à garder en tête
Plusieurs réserves s'imposent. D'abord, le gain maximal de 15 fois n'est pas universel : il dépend de l'étoile, de la distance angulaire à l'étoile et de la longueur d'onde. Ensuite, FLIP a été validé sur des planètes géantes jeunes ou déjà connues, pas sur des planètes de la taille de la Terre, qui sont un défi d'une tout autre ampleur.
La question du coût de calcul demeure également. Selon le résumé de Sina Tech, les recherches futures devront s'attacher à réduire les ressources informatiques nécessaires. Modéliser des millions de paramètres pour chaque observation n'est pas anodin, et la méthode devra prouver qu'elle reste praticable à l'échelle de grands relevés. Enfin, l'article a passé l'examen par les pairs chez Nature, mais d'autres équipes devront reproduire les résultats sur des jeux de données et des instruments différents.
Ce qu'il faut retenir
FLIP ne découvre pas de nouveau monde à lui seul. Il montre qu'un télescope déjà en orbite recèle plus d'information qu'on ne le croyait, et qu'un meilleur modèle de l'instrument peut valoir presque autant qu'un meilleur instrument. Pour les astronomes qui rêvent de photographier une Terre jumelle autour d'une autre étoile, c'est un jalon concret, mais l'essentiel du chemin reste à parcourir.