Le télescope spatial James Webb capture une image spectaculaire d'une planète nouveau-née.

Si l'on devait choisir un seul domaine d'étude représentatif de l'astronomie moderne, ce serait sans aucun doute la recherche d'exoplanètes, avec pour objectif ultime de découvrir la vie sur l'une d'elles, voire, pourquoi pas, une « seconde Terre ». Tous ces mondes lointains (près de six mille à l'heure où nous écrivons ces lignes) offrent également une mine d'informations sur les mécanismes complexes qui régissent la formation des systèmes planétaires, y compris le nôtre. Pendant des décennies, détecter ces corps célestes insaisissables a été une tâche herculéenne, mais l'arrivée du télescope spatial James Webb il y a quatre ans a marqué un tournant. Et aujourd'hui, bien que le télescope ait déjà découvert d'autres exoplanètes en 2022 , 2023 et 2024 , le James Webb vient d'obtenir une image directe exceptionnelle d'une jeune exoplanète enchâssée dans le disque de débris entourant une étoile naissante. Il s'agit de l'image directe de la plus petite exoplanète détectée à ce jour grâce à cette technique.

Cette découverte, réalisée par l'astronome française Anne-Marie Lagrange du CNRS à l'Observatoire Paris-PSL en collaboration avec l'Université Grenoble Alpes et récemment publiée dans Nature , illustre une fois de plus les possibilités apparemment infinies du télescope spatial. Baptisée TWA 7 b, cette nouvelle planète est la plus petite jamais observée par imagerie directe, une avancée majeure dans la détection et la caractérisation de planètes de plus en plus petites, et donc plus semblables à la Terre.

Mais pourquoi l'imagerie directe d'une exoplanète est-elle si difficile ? La réponse réside dans l'intensité lumineuse des étoiles et la petite taille des planètes comparées à elles. Observer directement une exoplanète serait comme essayer d'apercevoir une luciole danser autour d'un phare à plusieurs kilomètres de distance. Le phare est l'étoile : sa luminosité est si écrasante qu'elle couvre complètement la faible lumière des planètes en orbite. C'est pourquoi la grande majorité des exoplanètes découvertes jusqu'à présent l'ont été par des méthodes indirectes, comme le transit (lorsqu'une planète passe devant son étoile, provoquant une légère atténuation de sa lumière) ou la vitesse radiale (qui mesure l'oscillation gravitationnelle qu'une planète provoque sur son étoile hôte).

Cependant, ces techniques ne fournissent pas une image fidèle de la planète. C'est ce que permet l'imagerie directe, qui cherche à capturer la lumière de la planète, soit réfléchie par son étoile, soit, plus communément, sa chaleur résiduelle, observable dans l'infrarouge.

C'est là que les extraordinaires capacités infrarouges de James Webb entrent en jeu. Pour résoudre le problème des sursauts stellaires, Lagrange et ses collègues ont utilisé un coronographe innovant (fabriqué en France) installé sur l'instrument infrarouge moyen (MIRI) du télescope, un puissant détecteur infrarouge. Tout comme lors d'une éclipse solaire totale, la Lune bloque sa lumière et permet aux scientifiques d'étudier son atmosphère (la couronne), autrement invisible, un coronographe est essentiellement un disque opaque, ou masque, placé sur le télescope pour bloquer la lumière d'une étoile lointaine pendant son observation. Cette manœuvre permet à l'instrument infrarouge de détecter la lumière beaucoup plus faible des objets proches de l'étoile, comme les exoplanètes ou les disques de débris.

Le coronographe de MIRI sur Webb n'est cependant pas une simple antenne parabolique. Il intègre une multitude de technologies avancées, dont un coronographe de type Lyot et trois coronographes à masque de phase à quatre quadrants (4QPM). Ces masques permettent un angle de travail interne beaucoup plus petit. Ils peuvent ainsi bloquer la lumière de l'étoile à des distances angulaires très proches, permettant ainsi d'observer des planètes orbitant beaucoup plus près de leur étoile qu'auparavant.

Le processus d'observation avec le coronographe de MIRI est extrêmement méticuleux. Après avoir bloqué la majeure partie de la lumière de l'étoile, des traces de lumière réfléchie subsistent, ce qui peut perturber les observations. Pour éliminer cette lumière résiduelle et obtenir une image plus nette de l'exoplanète, les astronomes utilisent la technique de « soustraction d'étoile de référence ». Cette technique consiste à observer une étoile de référence proche, sans planète, en utilisant exactement la même configuration instrumentale. En soustrayant l'image de l'étoile de référence de celle de l'étoile cible (celle qui porte l'exoplanète), les chercheurs parviennent à isoler le faible signal de la planète.

Comme si cela ne suffisait pas, Webb utilise également une technique appelée imagerie différentielle angulaire (ADI), qui consiste à faire légèrement pivoter le télescope pendant l'observation. La planète se déplace alors dans le champ de vision tandis que les motifs lumineux résiduels du télescope restent statiques, ce qui facilite leur élimination ultérieure. Grâce à la combinaison de ces méthodes, le télescope peut détecter des objets jusqu'à un million de fois plus faibles que l'étoile elle-même.

Les auteurs de l'étude ont concentré leur attention sur les cibles qui semblaient les plus propices à l'imagerie directe. Il s'agissait de systèmes jeunes, âgés de quelques millions d'années seulement, observables « depuis le pôle » (c'est-à-dire dont les disques étaient vus « d'en haut »), ce qui est très important car les planètes nouvellement formées dans ces disques sont encore chaudes et émettent donc davantage de lumière infrarouge, ce qui les rend plus « brillantes » pour les instruments de Webb que des planètes plus anciennes et plus froides.

Parmi les nombreux disques observables de face, deux ont particulièrement retenu l'attention des chercheurs, car des observations antérieures avaient déjà révélé des structures concentriques en forme d'anneaux. Cela a conduit à soupçonner que ces structures résultaient de l'interaction gravitationnelle entre des planètes non identifiées et de petits corps rocheux et glacés (« planétésimaux »), précurseurs de planètes qui entrent en collision et s'agglutinent dans des disques protoplanétaires. L'un de ces systèmes, appelé TWA 7, se distinguait des autres par ses trois anneaux clairement distincts, dont l'un est particulièrement étroit et entouré de deux zones vides presque dépourvues de matière.

L'image obtenue par James Webb a révélé une source de lumière infrarouge au cœur même de l'anneau étroit. Après avoir soigneusement écarté la possibilité de biais d'observation (comme la présence d'une étoile d'arrière-plan ou un artefact d'instrument), Lagrange et son équipe ont conclu qu'il s'agissait très probablement d'une exoplanète. Des simulations détaillées ont confirmé l'hypothèse : une planète de la masse et de la position estimées pourrait effectivement créer un anneau fin et une « brèche » exactement à l'endroit où elle a été observée.

La nouvelle exoplanète, baptisée TWA 7 b, est un véritable poids plume comparée aux planètes géantes photographiées directement jusqu'à présent. En fait, elle est jusqu'à dix fois plus légère que les exoplanètes précédemment photographiées directement. Sa masse, comparable à celle de Saturne, représente environ 30 % de celle de Jupiter, la planète la plus massive de notre système solaire. Cela signifie que, bien qu'elle soit encore une géante gazeuse, TWA 7 b est nettement moins massive que nombre des « Jupiter chauds » ou « super Jupiter » qui ont dominé les listes d'exoplanètes photographiées directement. Par exemple, des systèmes comme HR 8799, qui abrite quatre planètes géantes photographiées directement (dont la première, Beta Pictoris b, a été découverte en 2008), sont nettement plus massifs que TWA 7 b. Même Epsilon Indi Ab , découverte en 2024 par Webb lui-même avec son instrument MIRI et l'une des exoplanètes les plus froides dont nous disposons d'une image directe, a une masse plusieurs fois supérieure à celle de Jupiter.

Ce nouveau résultat marque donc une nouvelle étape dans la détection d'exoplanètes de plus en plus petites par imagerie directe. Des mondes plus semblables à la Terre qu'aux géantes gazeuses de notre système solaire. Bien que TWA 7 b ne soit pas une « super-Terre », sa masse, environ 0,3 fois celle de Jupiter (environ 100 fois celle de la Terre), la place dans une fourchette nettement inférieure à celle des géantes précédemment détectées par la même méthode.

Les limites du télescope spatial James Webb n'ont cependant pas encore été atteintes. En effet, les scientifiques espèrent capturer des images de planètes dont la masse ne dépasse pas 10 % de celle de Jupiter, et donc encore plus proches de celle de la Terre. À cela s'ajoutent les nouvelles capacités offertes par les futures générations de télescopes, spécialement conçus pour la recherche d'exoplanètes. Sans surprise, les astronomes disposent déjà d'une liste des systèmes les plus prometteurs pour ces observations futures.