Kepler, un télescope qui sonde la vie
Explorer les populations d’exoplanètes avec la mission Kepler de la NASA
Le vaisseau spatial Kepler a été lancé sur une orbite de fuite terrestre et a observé une zone de ciel de 100 degrés carrés près de Cygnus afin de mesurer les variations de luminosité d’environ 200 000 étoiles. Sa mission principale était de trouver des exoplanètes transitant par ces étoiles et de déterminer la prévalence des exoplanètes dans la Galaxie. Le vaisseau spatial Kepler tournait de 90 degrés tous les 90 jours afin de garder les panneaux solaires pointés vers le soleil et ainsi les données Kepler sont divisées en trimestres de 90 jours. Kepler n’a téléchargé que les pixels entourant les étoiles d’intérêt sélectionnées à une cadence de 30 minutes ou de 1 minute. La mission a produit une série temporelle de flux pour chaque étoile et a recherché dans ces courbes de lumière la présence d’une exoplanète en transit. En plus de découvrir des exoplanètes, les données de Kepler ont été utilisées pour étudier la variabilité des étoiles et des binaires à éclipses.
Observation : 2 mai 2009 – 11 mai 2013
Résolution : 4 secondes d’arc / pixel
Kepler, un télescope qui sonde la vie
Kepler scanne notre Galaxie depuis 2009Kepler , le télescope spatial de plus d’une tonne, s’est dirigé vers la Voie lactée, le 6 mars 2009 à 22h48, heures de Floride, par une fusée Delta II, à la recherche de planètes extrasolaires ou d’exoplanètes.
Les planètes que le télescope Kepler va rechercher, Exoterra sont de petite taille, 2 à 20 fois la taille de la Terre, celles que le télescope spatial Corot peut voir. En mars 2009, des scientifiques ont annoncé avoir découvert 342 exoplanètes, 289 étoiles avec des planètes planétaires et 0 est identique à la taille de la Terre . 
Les 342 planètes sont pour la plupart des géantes gazeuses, mais pas dans la zone habitable. C’est pour atteindre cet objectif que les Américains ont lancé la mission Kepler, pour déterminer s’il existe des planètes habitables en dehors de notre système solaire.
Kepler observera avec attention pendant trois ans et demi, plus de 150 000 étoiles dans la Voie Lactée, plutôt que dans les régions du Cygne et de la Lyre. Il détectera des planètes en orbite autour d’étoiles semblables à notre Soleil, rocheuses comme notre Terre, et là encore, positionnées dans la zone habitable, c’est-à-dire ni trop près ni trop loin de son étoile. Le télescope Kepler embarque ce spécial d’un mètre de diamètre avec un champ de vision de 105 degrés et une résolution d’image de 95 mégapixels.
Ce monstre de la technologie de la Nasa voit grand, puisqu’il est équipé d’un photomètre pour mesurer simultanément la luminosité de dizaines de milliers d’étoiles, afin d’augmenter les chances de découverte par la méthode des transits. Un transit se produit chaque fois que la planète passe entre son étoile et l’observateur, à ce moment-là, la planète obscurcit une partie de la lumière de l’étoile, produisant une gradation périodique détectable. Cette signature est utilisée pour identifier la planète et déterminer sa taille et son orbite. « La mission Kepler, pour la première fois, permettra aux habitants de notre galaxie de rechercher des planètes similaires à la taille de la Terre ou même plus petites », a déclaré le chercheur principal William Borucki du centre de recherche de la NASA, en Californie. « Grâce à ses capacités avancées, Kepler va nous aider à répondre à l’une des plus anciennes questions de l’histoire humaine : y a-t-il d’autres choses que nous dans l’ Univers ? »
Définition de la vie
L’ampleur de la question ne se contente pas de répondre comme s’il y avait une réponse car la question concerne aussi bien le philosophique que la chimie du vivant.
Nous constatons que la vie évolue dans le temps en empruntant un chemin défini par un nombre infini de paramètres, ce qui la rend imprévisible et indéfinissable. Mais il existe une définition biologique de la vie : « un organisme est vivant lorsqu’il échange de matière et d’énergie avec son environnement en conservant son autonomie lorsqu’il se réplique et évolue par sélection naturelle ». Tous les organismes vivants assurent leur stabilité en réagissant aux changements de leur environnement. 
La vie a une faculté d’adaptation et d’apprentissage. N’est-ce pas plutôt la vie ? Mais on voit aussi en observant les galaxies, les étoiles et les planètes, que la matière est capable de s’auto-organiser sans être vivante. Or, une bonne définition de la vie doit prendre en compte cette notion, c’est-à-dire la capacité du matériau à gravir progressivement l’échelle de la complexité. La ténacité de la vie n’est-elle pas la preuve qu’elle est présente partout dans l’univers, attendant des conditions favorables pour continuer son chemin vers la complexité ? Il est difficile de croire que la vie existe sur Terre, partout où il y a de l’eau liquide, il y a une possibilité de vie même sous la croûte glacée des planètes ou des satellites des planètes. La vie se développe dans des endroits où même l’énergie du soleil ne pénètre pas, nous voyons dans les profondeurs de notre planète.
Joyeux anniversaire Kepler ! La NASA Planet Hunter fête ses 6 ans dans l’espace [publié Le prolifique télescope spatial Kepler de la NASA, qui a découvert plus de la moitié de toutes les planètes connues au-delà de notre système solaire, vient de fêter ses six ans dans l’espace. La mission Kepler de 600 millions de dollars a décollé au sommet d’une fusée United Launch Alliance Delta II depuis la base aérienne de Cap Canaveral en Floride dans la nuit du 6 mars 2009 (7 mars GMT). Après une phase de mise en service de deux mois, Kepler a commencé à rechercher des exoplanètes – et a commencé à graver son nom dans les livres d’histoire. Kepler trouve des mondes extraterrestres en surveillant les minuscules baisses de luminosité qu’ils provoquent lorsqu’ils traversent le visage de leurs étoiles hôtes du point de vue du vaisseau spatial. (Au cours de sa mission initiale, Kepler a regardé plus de 150 000 étoiles simultanément.)
Cette technique connaît un succès incroyable. À ce jour, le vaisseau spatial en orbite autour du soleil a découvert 1 019 exoplanètes, avec plus de 3 100 « candidats » supplémentaires en attente de confirmation par des observations ou des analyses de suivi. Les scientifiques de la mission s’attendent à ce qu’environ 90% de ces planètes potentielles finissent par être la vraie affaire. Pour mettre le décompte de Kepler en perspective : les scientifiques ont découvert un total d’environ 1 800 planètes extraterrestres. (Le nombre varie un peu selon la base de données consultée.)
Mais Kepler ne s’est jamais contenté de chiffres bruts. L’objectif principal de sa mission initiale était d’aider les chercheurs à déterminer à quel point les planètes semblables à la Terre sont communes dans la galaxie de la Voie lactée . Et les observations du vaisseau spatial suggèrent que des mondes comme le nôtre sont en effet très courants : environ une étoile sur cinq semblable au soleil abrite probablement une planète de la taille de la Terre dans sa « zone habitable », la gamme de distances qui pourrait supporter l’existence d’eau liquide. 
De nombreux autres mondes potentiellement habitables entourent les naines rouges, les petites étoiles sombres qui représentent 70 % de la population stellaire de la Voie lactée. Ainsi, notre galaxie regorge apparemment de dizaines de milliards de planètes rocheuses de la zone habitable, selon les chercheurs. La chasse aux planètes originale de Kepler s’est terminée en mai 2013, lorsque la deuxième des quatre roues de réaction de maintien de l’orientation du vaisseau spatial a échoué, privant Kepler de sa capacité de pointage ultraprécise.
Mais le télescope continue d’étudier les cieux au cours d’une nouvelle mission appelée K2, que la NASA a approuvée en mai 2014. K2 demande à un Kepler compromis d’observer des parcelles de ciel plus larges pour une variété d’objets et de phénomènes célestes, y compris des explosions de supernova lointaines, des comètes et les astéroïdes de notre propre système solaire – et les exoplanètes. K2 a montré que Kepler peut toujours trouver des mondes extraterrestres avec seulement deux roues de réaction fonctionnelles : les chercheurs ont annoncé la première exoplanète de la nouvelle mission en décembre 2014.
La mission Kepler explore la diversité des planètes et des systèmes planétaires. Son héritage sera un catalogue de découvertes suffisant pour calculer les taux d’occurrence des planètes en fonction de la taille, de la période orbitale, du type d’étoile et du flux d’insolation. La mission a fait des progrès significatifs vers la réalisation de cet objectif. Plus de 3 500 exoplanètes en transit ont été identifiées à partir de l’analyse des 3 premières années de données, dont 100 planètes sont dans la zone habitable. Le catalogue a un taux de fiabilité élevé (85 à 90 % en moyenne sur le plan période/rayon), qui s’améliore à mesure que les observations de suivi se poursuivent. 
Les méthodes dynamiques (par exemple, vélocimétrie et temps de transit) et statistiques ont confirmé et caractérisé des centaines de planètes sur une large gamme de tailles et de compositions pour les systèmes à une et plusieurs étoiles. Les études de population suggèrent que les planètes abondent dans notre galaxie et que les petites planètes sont particulièrement fréquentes. Ici, je rends compte des progrès réalisés par Kepler en mesurant la prévalence des exoplanètes en orbite dans une unité astronomique de leurs étoiles hôtes à l’appui de l’objectif à long terme de la National Aeronautics and Space Administration de trouver des environnements habitables au-delà du système solaire.
De 2009 à 2013, Kepler a surveillé un champ de 115 degrés carrés dans les constellations du Cygne et de la Lyre, collectant une photométrie de très haute précision de plus de 190 000 étoiles simultanément à une cadence de 30 minutes. Une photométrie presque ininterrompue est possible grâce à une orbite héliocentrique et un pointage hors écliptique. Les observations produisent une série temporelle de flux échantillonnés de manière uniforme et à espacement minimal qui peut être recherchée pour les diminutions périodiques de lumière dues au transit d’une exoplanète à travers le disque stellaire dans une géométrie alignée. Le photomètre a été conçu pour atteindre une précision relative de 20 ppm en 6,5 h pour une étoile de séquence principale de type G de 12e magnitude. Pour référence, la Terre en orbite autour du Soleil produirait un signal de 84 ppm d’une durée d’environ 13 h.
https://www.youtube.com/watch?v=nokwfhZynYs
Les mesures de pixels et de flux de Kepler sont accessibles au public dans les archives Mikulski pour les télescopes spatiaux (MAST) (http://archive.stsci.edu/kepler). Des recherches de transit ont été effectuées sur des volumes de données de plus en plus importants, produisant des catalogues de planètes potentielles incrémentielles qui sont hébergés dans les archives d’exoplanètes (NEA) de la NASA (http://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu). À ce jour, environ les trois quarts des données ont fait l’objet de recherches approfondies. Au moment d’écrire ces lignes (avril 2014), l’archive héberge plus de 3 500 planètes candidates viables (avec des rayons inférieurs à deux fois Jupiter). Tous ont été soumis à une série de tests statistiques (basés sur les données Kepler elles-mêmes) qui garantissent un faible taux de faux positifs instrumentaux et astrophysiques.
Kepler a un programme d’observation de suivi pour augmenter encore la fiabilité du catalogue en (i) améliorant la précision des propriétés de l’étoile hôte, ce qui à son tour améliore la précision des propriétés de la planète (ou change complètement l’interprétation) et (ii) identifier les compagnons stellaires liés et les voisins de la ligne de visée qui pourraient indiquer un faux positif astrophysique. 
Des télescopes terrestres et spatiaux avec des ouvertures allant de 1,5 à 10 m sont utilisés pour acquérir une spectroscopie à haute résolution et des images à contraste élevé/haute résolution spatiale. Des mesures Doppler stratégiques de haute précision fournissent des masses planétaires dans le but de délimiter la transition entre les planètes terrestres et géantes.
La traduction du catalogue de découvertes de Kepler en statistiques démographiques nécessite des corrections pour les biais d’observation et de détection. C’est un travail en cours de réalisation. Cependant, les calculs de taux d’occurrence basés sur des sous-ensembles de données indiquent déjà que la nature produit de petites planètes de manière relativement efficace dans les environs plus chauds d’un système planétaire. Les planètes géantes sur de telles orbites sont des ordres de grandeur moins fréquents que leurs homologues sous-neptuniens. Ironiquement, les Jupiter chauds qui ont constitué les toutes premières découvertes d’exoplanètes Doppler et en transit sont en fait assez rares. Les résultats actuels pour les planètes de la zone habitable nous indiquent que nous n’aurons peut-être pas à chercher très loin avant de tomber sur une planète similaire à la Terre.
Un examen complet de la science de l’exoplanète Kepler dépasse le cadre de cette contribution. Ici, je me concentre sur la science menant à la détermination des taux d’occurrence des planètes, des catalogues de découvertes aux premiers calculs de la prévalence des planètes semblables à la Terre.
Kepler transforme l’espace de découverte
Les découvertes d’exoplanètes ont afflué à un rythme soutenu dans la seconde moitié des années 1990. Environ 30 ont été signalés avec des tailles allant de 0,4 à 8 masses de Jupiter et des périodes orbitales allant de 3 à 3 800 jours. Annonçant le nouveau millénaire, la première exoplanète en transit a été découverte (4, 5). Le timing était une aubaine pour Kepler qui proposait d’utiliser cette technique de détection depuis l’espace. En 2000, Kepler était l’une des trois propositions de mission de découverte invitées à soumettre un rapport d’étude de concept. Il a été sélectionné pour voler le 20 décembre 2001.
Au fur et à mesure que Kepler était conçu et construit, les découvertes d’exoplanètes augmentaient à un rythme accéléré. À la veille du lancement de Kepler, plus de 300 découvertes avaient été signalées, dont près de 70 systèmes en transit. Toutes les découvertes non-Kepler jusqu’en avril 2014 sont présentées sur la figure, à gauche, dans un graphique de la masse (ou de la masse minimale pour les planètes non en transit) par rapport à la période orbitale avec des symboles codés par couleur par la méthode de découverte. (Les méthodologies avec un petit nombre de découvertes ont été laissées de côté pour plus de clarté). Collectivement, il y a 697 exoplanètes (non Kepler) (avec une période orbitale et un rayon ou masse mesurés) associées à 583 étoiles uniques. Environ 16% de ces étoiles hôtes sont connues pour héberger plusieurs planètes.
La figure , à droite, montre la même population avec les découvertes candidates de la planète Kepler dans le tableau cumulatif de l’AEN en avril 2014. Les détections sont tracées en tant que rayon de la planète par rapport à la période orbitale, et les découvertes non-Kepler sont incluses à des fins de comparaison. Lorsque les rayons des planètes ne sont pas disponibles (comme c’est le cas pour la plupart des détections Doppler), ils sont estimés à l’aide d’un ajustement polynomial aux planètes du système solaire (R = M0,4854). Voici 3 553 découvertes de Kepler associées à 2 658 étoiles. Environ 22% des étoiles hôtes de Kepler sont connues pour héberger plusieurs planètes candidates. La fiabilité globale du catalogue (80 à 90 %) est discutée ci-dessous.
La démographie de la population observée a remarquablement changé. Kepler a augmenté la liste des exoplanètes de près de 400 %. Plus remarquable encore est le changement de distribution : 86 % des découvertes non Kepler ont des masses supérieures à Neptune alors que 85 % des découvertes Kepler ont des rayons inférieurs à Neptune. Kepler remplit une zone d’espace de paramètres qui n’était pas accessible auparavant. L’augmentation de la sensibilité que nous offre Kepler a ouvert les vannes aux petites planètes si difficiles à détecter à partir de levés au sol. Le type de planète le plus commun que nous connaissons est une population qui n’existe pas dans notre propre système solaire : les super-Terres et les mini-Neptunes entre 1 et 4 rayons terrestres.
Statut des catalogues de découverte de Kepler
Des catalogues des planètes candidates viables de Kepler ont été publiés périodiquement depuis le lancement et ont inclus 312, 1 235, 2 338, 2 738 et 3 553 détections (nombres cumulés) associées à 306, 997, 1 797, 2 017 et 2 658 étoiles basées sur 1,5, 13, 16 , 22 et 34,5 des ∼48 mois de données acquises au cours de la mission principale (7–11). Les données de Kepler dans la mission principale ont été transmises mensuellement mais traitées sur une base trimestrielle. Les recherches de transit et les catalogues de planètes candidates associés sont donc désignés par les trimestres entre parenthèses les données. Les planètes candidates les plus récentes ont été identifiées lors d’une recherche de 12 trimestres de données (Q1 à Q12) où le premier ne dure qu’un peu plus d’un mois (d’où la durée de 34,5 mois).
Les candidats précédemment détectés sont réexaminés à mesure que de plus grands volumes de données deviennent disponibles. Cependant, cela ne se produit pas avec chaque version du catalogue. Certains des candidats de l’archive cumulative de l’AEN ont été découverts avec moins de 34,5 mois de données et n’ont pas encore été réexaminés. Cette non-uniformité sera résolue lorsque Kepler achèvera sa recherche finale et sa vérification de l’ensemble des 17 trimestres (48 mois) de données acquises au cours de sa durée de vie de mission principale. Le catalogue des planètes candidates de Kepler est également connu sous le nom de catalogue Kepler Object of Interest (KOI). Cependant, les KOI incluent également des événements classés comme fausses alarmes ou faux positifs astrophysiques. Seules celles signalées comme planètes candidates dans le catalogue cumulatif de l’AEN sont présentées à la Fig.
Les catalogues contiennent les cinq paramètres produits en ajustant un modèle de Mandel et Agol (12) à limbe obscurci à la série temporelle de flux observé en supposant une excentricité nulle : les éphémérides de transit (période et époque), le rayon réduit (RP/R∗), le semi-majeur réduit axe (d/R∗) et paramètre d’impact. Au premier ordre, le demi-majeur réduit équivaut au rapport de la séparation planète-étoile pendant le transit au rayon stellaire. Malgré son nom, il n’est équivalent à a/R∗ (où a est le demi-grand axe) que dans le cas d’une orbite à excentricité nulle.
Les propriétés des planètes sont également tabulées dans les catalogues de découverte. Le rayon de la planète, le demi-grand axe et le flux d’insolation sont calculés à partir des paramètres de la courbe de lumière et de la connaissance des propriétés de l’étoile hôte (température effective, gravité de surface, masse et rayon). Le catalogue d’entrée Kepler (KIC) (13) contient les propriétés des étoiles dans le champ de vision de Kepler dérivées de la photométrie à large bande et à bande étroite au sol acquise avant le lancement pour soutenir la sélection de la cible. Cependant, le KIC contient des lacunes connues et des erreurs systématiques, ce qui le rend inadapté au calcul précis des propriétés de la planète (14-18).
Un groupe de travail Kepler fournit des livraisons incrémentielles de propriétés mises à jour de toutes les étoiles observées par Kepler dans le but à long terme d’augmenter la précision et de quantifier la systématique. La précision est nécessaire pour caractériser les systèmes planétaires individuels. De plus, une compréhension des populations planétaires via des études de taux d’occurrence nécessite une base de données homogène des propriétés de toutes les étoiles observées. Dans ce but, le groupe de travail coordonne des campagnes et rassemble des propriétés atmosphériques (température, gravité de surface et métallicité) issues de différentes techniques d’observation (photométrie, spectroscopie et astérosismologie), qui sont ensuite ajustées à une grille d’isochrones stellaires pour déterminer les propriétés fondamentales. comme la masse et le rayon.
Les rayons des planètes tracés sur la Fig. 1 (et la Fig. 2) ne sont pas tirés directement du tableau cumulatif NEA. Au lieu de cela, les rayons de la planète (et les propriétés auxiliaires comme le flux d’insolation) sont recalculés à l’aide des paramètres de la courbe de lumière modélisée et du catalogue Q1–Q16 des propriétés des étoiles (également disponible au NEA), ainsi appelé parce qu’il est utilisé comme entrée pour le Q1– Exécution du pipeline Q16. La provenance de toutes les valeurs du catalogue des propriétés des étoiles Q1 à Q16 est décrite par Huber et al. (19) ainsi que la stratégie pour les futures mises à jour du catalogue. Les propriétés publiées des planètes confirmées sont utilisées lorsqu’elles sont disponibles.
Les efforts pour produire un catalogue actualisé des planètes candidates sont en cours et devraient être achevés à la mi-2014. Des centaines de nouvelles découvertes sont attendues, dont les premières petites planètes candidates dans la HZ des étoiles de type G. De plus, les données de Kepler sont dans le domaine public permettant ainsi de nombreuses découvertes supplémentaires. La communauté scientifique et les efforts de la science citoyenne ont produit de nouveaux candidats et des planètes confirmées. De nouvelles niches intéressantes de l’espace des paramètres ont été ouvertes grâce à ces efforts. Les notables incluent le premier système à sept planètes KOI-351, une planète dans un système à quatre étoiles (26) et des objets en orbites ultracourtes.
https://www.space.com/28764-kepler-exoplanet-telescope-anniversary.html
http://www.astronoo.com/en/articles/telescope-kepler.html