Trouver une seconde Terre est le grand chelem de l'astronomie moderne. Problème : près de la moitié des étoiles de type solaire qui peuplent notre voisinage, des jumelles du Soleil, vivent en couple. Et ces systèmes doubles, les méthodes actuelles ne savent presque pas les fouiller. Un concept de mission de la NASA nommé SHERA, pour Searching for Habitable Exoplanets with Relative Astrometry, propose d'y remédier avec un télescope de 22 cm, une règle gravitationnelle et une précision de mesure qui frôle la science-fiction.
La moitié des étoiles proches, un désert d'exploration
Commençons par un chiffre qui surprend : près de 50 % des étoiles de type solaire proches du Soleil, des jumelles de notre étoile, ne sont pas seules. Elles orbitent à deux, parfois plus, des systèmes que les astronomes appellent des binaires. Le système le plus proche de nous, Alpha du Centaure à 4,3 années-lumière, est un triple : deux étoiles de type solaire, A et B, et une naine rouge distante, une étoile petite, pâle et plus froide. Autrement dit, les candidats « Terre 2.0 » les plus accessibles de la Galaxie se cachent peut-être dans des systèmes que personne ne sonde.
La raison de ce désert d'exploration est technique. Le transit, la méthode qui a fait la fortune de Kepler, demande un alignement parfait : à nos yeux, la planète doit passer exactement devant son étoile. Or une planète de la taille de la Terre ne masque que 100 parties par million de la lumière d'une étoile de type solaire, un dix-millième du rayonnement. Quant à la vitesse radiale, la méthode qui traque le léger va-et-vient d'une étoile tirée par ses planètes, une planète rocheuse en zone habitable, la bande d'orbites où l'eau peut rester liquide, ne fait vaciller la sienne que de 9 cm/s, un rythme qui mettrait une journée entière à parcourir près de 8 km. Et les meilleurs spectrographes au monde, ces instruments qui décomposent la lumière en arc-en-ciel pour mesurer de tels mouvements, plafonnent autour de 50 cm/s, freinés par les taches et les granulations qui agitent la surface des étoiles elles-mêmes.
Astrométrie relative : la binaire comme règle de mesure
La solution de SHERA tient dans une idée simple et élégante, empruntée à l'astrométrie, l'art de mesurer la position des étoiles dans le ciel. Plutôt que de mesurer la position d'une étoile par rapport à un fond de référence, ce que fait Gaia avec une précision d'environ 100 micro-arcsecondes, SHERA mesure la distance entre les deux étoiles d'une même binaire. Pour se représenter l'unité : un micro-arcseconde, c'est l'angle sous lequel on verrait un cheveu depuis 20 000 km. Deux étoiles liées gravitationnellement, c'est une règle de mesure qui se déplace avec vous : toute erreur d'optique ou de fond se compense, car les deux lumières traversent le même instrument au même moment.
Si l'une des deux étoiles porte une planète, elle oscille légèrement autour du centre de masse commun, le point d'équilibre du couple, comme deux patineurs qui tournent l'un autour de l'autre. Ce balancement se répète au rythme de l'orbite de la planète et fait varier la distance entre les deux étoiles. SHERA traquerait ce signal jour après jour, avec une précision visée de 0,5 à 1,1 micro-arcseconde selon les cibles, soit environ 20 fois mieux que Gaia.
Une pupille diffractante gravée au faisceau d'électrons
Comment un télescope de 22 cm, plus petit qu'un modèle d'amateur, atteint-il une précision pareille ? La réponse tient dans une gravure. Le miroir primaire de SHERA embarque une pupille diffractante : un damier microscopique de minuscules marches gravé dans le verre par lithographie à faisceau d'électrons, la même technique qui grave les puces de vos smartphones. Ce masque courbe la lumière des étoiles et la fait s'étaler en une figure régulière, connue d'avance, sur le détecteur, la puce photosensible qui remplace la pellicule.
Cette figure remplit trois fonctions. Elle sert de règle interne qui mesure en continu les déformations de l'optique. Elle étale la lumière sur plusieurs zones du détecteur, ce qui lisse les défauts de fabrication du capteur. Et elle surveille la couleur moyenne de la lumière reçue, pour distinguer un signal planétaire d'une tache stellaire, une zone sombre qui traverse la surface de l'étoile et en décale légèrement la teinte.
La liste de cibles : 7 systèmes, 14 étoiles, 4 planètes attendues
SHERA viserait 14 étoiles réparties dans 7 systèmes binaires proches, tous à moins de 17 parsecs, l'unité de distance des astronomes, soit 55 années-lumière. Que des types G et K, deux familles d'étoiles proches du Soleil, un peu plus chaudes pour les G, un peu plus orangées pour les K. En tête de liste : Alpha du Centaure A et B, avec une sensibilité annoncée à 0,4 masse terrestre, un monde entre Mars et Vénus, la meilleure performance de tout l'échantillon. Puis 61 Cygni, 70 Ophiuchi, 36 Ophiuchi, Xi Bootis, p Eridani et le couple HR 2667/2668.
En transposant aux orbites de 3 ans ce que Kepler a appris des fréquences de planètes, le pourcentage d'étoiles qui en hébergent au moins une, l'équipe attend 4 ± 2 petites planètes de moins de 4 masses terrestres en zone habitable. Le résultat compte même en cas de vide : si SHERA n'en trouvait que 0 ou 1, cela prouverait statistiquement que les binaires forment nettement moins de planètes rocheuses que les étoiles solitaires.
Ce que cela change pour la recherche de vie
SHERA n'est pas qu'un chasseur de planètes. C'est aussi un éclaireur pour le futur géant de la NASA. Sur les 14 cibles, 13 figurent dans la liste des cibles de priorité 1 du Habitable Worlds Observatory (HWO), l'observatoire de 6 à 8 m que la NASA espère lancer dans les années 2040 pour photographier des Terres jumelles.
L'intérêt est économique. Une simulation présentée dans le papier montre que si SHERA découvre 3 planètes autour de cibles de haute priorité, le temps d'observation nécessaire à HWO pour étudier en détail un nombre donné de planètes, taille, atmosphère, baisse de 40 %. Dans un observatoire où chaque heure se chiffre en dizaines de milliers de dollars, ce n'est pas un détail. Connaître à l'avance l'existence et l'orbite d'une planète, c'est éviter des années de pointages à vide.
Autre dividende : combinée aux mesures de vitesse radiale au sol, l'astrométrie de SHERA reconstruirait la géométrie 3D complète de ces systèmes, l'inclinaison des orbites, leur forme, les masses des protagonistes. Un laboratoire dynamique pour comprendre comment les étoiles doubles façonnent la formation des planètes, une question encore ouverte depuis la découverte des premières exoplanètes en orbite de type S, c'est-à-dire tournant autour d'une seule des deux étoiles.
Pour aller plus loin
- Le catalogue d'engins qui mesure le ciel : Gaia, la référence mondiale de l'astrométrie spatiale, dont SHERA compte dépasser la précision d'un facteur 20.
- Les notions clés : exoplanète, habitabilité et spectroscopie.
- Pour observer les binaires les plus brillantes de la liste, 61 Cygni et 70 Ophiuchi se trouvent dans la carte du ciel interactive, avec le guide d'observation.
- Les sources officielles : le papier scientifique Christiansen et al., arXiv:2608.04250 et la page de la mission concept à l'IPAC/Caltech.
