Quelques pixels seulement permettraient aux astronomes de cartographier des caractéristiques de surface comme les océans et les déserts sur une exoplanète

Cette image de l’étude montre leur travail avec le modèle de la Terre sans nuages. C’est ce qu’on appelle une Terre sans nuage jouet, et cela faisait partie de la base du travail. Crédit : Kuwata et al.

Les images directes d’exoplanètes sont rares et manquent de détails. Les futurs observatoires pourraient changer cela, mais pour l’instant, les images d’exoplanètes ne disent pas grand-chose aux chercheurs. Ils montrent simplement la présence des planètes sous forme de taches de lumière.

Mais une nouvelle étude montre que seuls quelques pixels peuvent nous aider à comprendre les caractéristiques de surface d’une exoplanète.

Les astronomes peuvent imager directement les exoplanètes, mais seulement dans certaines circonstances. Habituellement, la lumière d’une étoile efface la lumière beaucoup plus faible de toutes les exoplanètes en orbite autour d’elle. Les exoplanètes très grandes, très éloignées de leur étoile ou très jeunes sont des exceptions. Les astronomes peuvent imager les jeunes planètes dans l’infrarouge parce que leur production thermique est élevée, tandis que la lumière des exoplanètes massives ou des exoplanètes éloignées de leurs étoiles n’est pas autant délavée.

Des images indistinctes de l’exoplanète AB Aur b ont suffi à une équipe de chercheurs pour élargir notre compréhension de la formation des planètes. Et puisque la plupart des exoplanètes sont trouvées en examinant les courbes de lumière de transit, toutes les images réelles d’exoplanètes sont passionnantes. Si les auteurs d’une nouvelle étude ont raison, alors même quelques pixels de la surface d’une exoplanète peuvent faire avancer notre compréhension, tout comme l’ont fait les courbes de lumière de transit.

La nouvelle étude est intitulée “Global Mapping of Surface Composition on an Exo-Earth Using Sparse Modeling”, disponible en ligne sur le site de prépresse arxiv.org. L’auteur principal est Atsuki Kuwata du département d’astronomie de l’Université de Tokyo.

L’étude se concentre sur l’avenir lorsque l’imagerie directe des exoplanètes deviendra viable. Dans un premier temps, ces images directes peuvent ne fournir que quelques pixels de la surface d’une exoplanète. La question est, comment pouvons-nous apprendre autant que possible à partir de quelques pixels rares ? Plus que vous ne le pensez au premier abord, selon cette étude.

Dans leur article, l’équipe explique que “la série temporelle de lumière réfléchie par les exoplanètes par la future imagerie directe peut fournir des informations spatiales par rapport à la surface planétaire”. Ils ont utilisé une “modélisation parcimonieuse” pour extraire des informations à partir d’images directes d’exoplanètes. La modélisation parcimonieuse est un outil d’apprentissage automatique qui peut découvrir des modèles prédictifs dans les données, même lorsque les données sont rares ou faibles.

Les chercheurs ont utilisé leur modélisation clairsemée sur ce qu’ils appellent une “Terre jouet”. Ils ont identifié des caractéristiques de surface utiles dans l’étude des exoplanètes. “En appliquant notre technique à un modèle jouet de la Terre sans nuages, nous montrons que notre méthode peut déduire des distributions de surface clairsemées et continues ainsi que des spectres non mélangés sans connaissance préalable de la surface de la planète”, écrivent-ils.

Ils ont également appliqué leur technique aux données terrestres réelles de DSCOVR / EPIC. DSCOVR est un satellite d’observation de la Terre NOAA, et EPIC est une caméra polychromatique sur le satellite DSCOVR. EPIC est un outil puissant qui fournit des mesures détaillées de l’ozone, des aérosols, de la réflectivité des nuages, de la hauteur des nuages, des propriétés de la végétation et des estimations du rayonnement UV à la surface de la Terre. Les chercheurs ont « abruti » toutes ces données détaillées sur la surface de la Terre comme s’il s’agissait d’une exoplanète lointaine qu’ils regardaient.

Quelques pixels seulement permettraient aux astronomes de cartographier des caractéristiques de surface comme les océans et les déserts sur une exoplanète

(a) est la distribution de surface déduite d’une Terre “abrutie” telle qu’elle pourrait apparaître à une grande distance, et (b) est le spectre. (c, d et e) sont ce que la modélisation clairsemée de l’équipe révèle à partir de ces spectres. (c) trace clairement les parties végétalisées des continents tout en laissant de côté les zones désertiques. (d) montre des terres sans végétation, où le désert du Sahara est prédominant, et (e) montre les océans. Crédit : Kuwata et al. 2022

En appliquant leur technique de modélisation éparse aux données DSCOVR / EPIC, ils ont trouvé des modèles qu’ils ont identifiés comme des océans et une couverture nuageuse. Ils ont également trouvé deux composants qu’ils ont identifiés comme terres. “De plus, nous avons trouvé deux composants qui ressemblaient à la répartition des terres. L’un des composants capture le désert du Sahara et l’autre correspond à peu près à la végétation, bien que leurs spectres soient toujours contaminés par les nuages.”

Les scientifiques ont travaillé sur l’extraction d’un maximum d’informations à partir de données rares dans les images d’exoplanètes. L’une des méthodes est appelée régularisation de Tikhonov. L’image ci-dessous compare la modélisation parcimonieuse de l’équipe avec la régularisation de Tikhonov. “Nous avons conclu que la modélisation clairsemée fournit de meilleures inférences de la distribution de surface et des spectres non mélangés que la méthode basée sur la régularisation de Tikhonov”, écrivent les auteurs.

Cette étude est un raffinement de certains travaux antérieurs, et les résultats sont intrigants. L’un des obstacles dans ce genre de travail est que les planètes tournent. Pour que les résultats soient valides, les scientifiques doivent tenir compte de la rotation de l’exoplanète avec une extrême précision. Mais les nuages ​​ne restent pas immobiles pendant que nous prenons leurs portraits à des dizaines ou des centaines d’années-lumière. L’étude a dû faire des aménagements pour cela. “De plus, nous avons supposé que la distribution de surface de l’élément final était statique, mais nous devrions également considérer le mouvement dynamique des surfaces, en particulier pour les nuages”, écrit l’équipe dans sa conclusion.

Quelques pixels seulement permettraient aux astronomes de cartographier des caractéristiques de surface comme les océans et les déserts sur une exoplanète

Ce chiffre de l’étude compare les résultats de la modélisation clairsemée de l’équipe avec les résultats de la régularisation de Tikhonov. Crédit : Kuwata et al.

Ce travail prend une nouvelle ampleur car les futurs télescopes commenceront à imaginer directement les exoplanètes. C’est le domaine de nos puissants nouveaux télescopes au sol comme le futur télescope européen extrêmement grand (E-ELT) et le télescope géant de Magellan (GMT). Ces télescopes sont remarquablement puissants et produiront des images plus nettes que les télescopes spatiaux. La netteté est nécessaire pour détecter la lumière directe des exoplanètes et les imager.

Actuellement, les images directes des exoplanètes ne contiennent pas beaucoup de détails. Ils sont toujours fascinants et scientifiquement précieux à certains égards, mais ils ne révèlent pas les détails de surface.

Quelques pixels seulement permettraient aux astronomes de cartographier des caractéristiques de surface comme les océans et les déserts sur une exoplanète

Beta Pictoris-b en orbite autour du disque de débris de l’étoile Beta Pictoris. C’est une image fascinante, mais elle ne nous dit rien sur sa surface. Crédit : ESA / AM LeGrange et. Al.

Les artistes sont une autre ressource dans les images d’exoplanètes. Des illustrateurs qualifiés comme Martin Kornmesser de l’ESA suscitent notre curiosité et notre enthousiasme avec leurs représentations basées sur des données de mondes lointains. Sans Kornmesser et d’autres pour diffuser l’excitation des exoplanètes au grand public, nous serions dans un endroit différent.

En 2015, le directeur du projet GMT, Patrick McCarthy, a déclaré au magazine Forbes que « nous devrions [also] être capable de voir des planètes semblables à Jupiter et Saturne se former autour des étoiles dans les complexes de formation d’étoiles Orion et Taurus de la Voie lactée avec une relative facilité. »

Mais ces images ne seront pas limpides et ne révéleront pas tous les détails de la surface d’une planète. Les scientifiques devront encore démêler autant de détails que possible à partir de ces images en utilisant l’apprentissage automatique, la modélisation, les simulations et d’autres outils.


De plus petits télescopes au sol peuvent également étudier les atmosphères des exoplanètes


Plus d’information:
Atsuki Kuwata et al, Cartographie globale de la composition de surface sur une exo-Terre à l’aide de la modélisation clairsemée. arXiv : 2204.01996v1 [astro-ph.EP]arxiv.org/abs/2204.01996

Fourni par Univers aujourd’hui

Citation: Quelques pixels seulement permettraient aux astronomes de cartographier les caractéristiques de surface comme les océans et les déserts sur une exoplanète (2022, 13 avril) récupéré le 14 avril 2022 sur https://phys.org/news/2022-04-pixels-astronomers-surface-features -oceans.html

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