LISA : la NASA montre comment les ondes gravitationnelles pourraient révéler des exoplanètes autour de paires de naines blanches, avec une confirmation de Webb

Une planète en orbite autour de deux étoiles mortes pourrait laisser sa marque non pas dans la lumière, mais dans les ondes gravitationnelles, les plus faibles ondulations de l’espace-temps provoquées par des corps en orbite. C’est ce que montrent deux études d’astrophysiciens de la NASA, publiées le mardi 10 novembre dans The Astrophysical Journal. Elles décrivent comment l’observatoire LISA (Laser Interferometer Space Antenna), actuellement en développement, pourrait révéler une nouvelle population d’exoplanètes dans notre galaxie. La NASA a publié l’annonce sur son site.

La première étude, signée par Casey McGrath seul, chercheur postdoctoral à l’université du Maryland, comté de Baltimore (UMBC), et au centre de vol spatial Goddard de la NASA, examine la méthode et identifie les masses planétaires et les périodes orbitales pour lesquelles elle fonctionne le mieux. La seconde étudie comment ces planètes pourraient être confirmées grâce au télescope spatial James Webb. L’idée a été proposée pour la première fois en 2008 par l’astronome japonais Naoki Seto.

La source du signal sera constituée de naines blanches doubles : des paires de naines blanches, restes denses d’étoiles comme le Soleil, à peu près de la taille de la Terre, en orbite très serrée. « Si une exoplanète se trouve également dans le système, sa présence est gravée dans le signal gravitationnel d’une manière qui nous permettra de la découvrir », explique McGrath. Des exoplanètes ont été découvertes autour de quelques naines blanches isolées, mais jamais autour d’une paire ; les détections de LISA constitueraient donc une population nouvelle et distincte.

Le principe ressemble à la méthode des vitesses radiales, déjà utilisée avec la lumière pour les planètes autour d’étoiles proches : la planète exerce sur son étoile une attraction qui la fait osciller, de sorte que ses raies spectrales se décalent sous l’effet Doppler. « Quelque chose de similaire se produit avec les ondes gravitationnelles », a déclaré Scott Noble, du Goddard. Une paire de naines blanches émet à une fréquence presque constante, mais une planète de masse suffisante la modifie et ajoute une modulation Doppler, qui apparaîtra dans LISA sous forme de bandes latérales, c’est-à-dire de signaux secondaires à des fréquences plus élevées et plus basses. McGrath la compare à la porteuse radio, où les bandes latérales transportent la voix ou la musique : ici, elles transportent le signe qu’une planète existe.

On estime qu’environ 10 millions de naines blanches doubles dont la période est inférieure à une heure existent dans la Voie lactée. LISA devrait en repérer environ 10 000, ainsi qu’une centaine de paires mixtes associant une naine blanche à une étoile à neutrons ou à un trou noir. Pour la confirmation, l’équipe utilise l’infrarouge de Webb : une planète dans un tel système ajoute de la lumière infrarouge à celle que produiraient les étoiles elles-mêmes, et les instruments de Webb détectent facilement cet excès d’infrarouge jusqu’à au moins 500 années-lumière. Dans un système test situé à cette distance, Webb détecterait une planète d’environ cinq fois la masse de Jupiter, tandis que LISA, dans des conditions idéales, pourrait détecter un corps plus petit que Jupiter. Comme l’a dit Mary Anne Limbach, de l’université du Michigan, des détections conjointes montreraient que les signaux correspondent à de véritables planètes et non à de fausses indications.

LISA sera composé de trois engins spatiaux suivant la Terre dans son orbite autour du Soleil, disposés en triangle dont les côtés mesurent 2,5 millions de kilomètres (1,6 million de miles). Chaque engin disposera de deux télescopes qui émettent et reçoivent des faisceaux laser infrarouges, et mesurera des variations de distance plus petites que le diamètre d’un atome d’hélium, ce qui constitue le signal d’ondes gravitationnelles. La mission est dirigée par l’Agence spatiale européenne (ESA), avec un lancement prévu au milieu des années 2030. La NASA fournit les télescopes, le laser, les dispositifs de gestion de la charge électrique des masses d’épreuve, l’analyse des données ainsi que le soutien scientifique et technique.

Les ondes gravitationnelles ont été prédites par la relativité générale d’Einstein en 1916 et détectées pour la première fois par des observatoires terrestres en 2015.