Mission

Contexte scientifique

Depuis l'annonce en octobre 1995 de la découverte de 51 Pegasi b, la première planète située hors du Système solaire par Michel Mayor et Didier Queloz, la quête de nouvelles exoplanètes n'a jamais cessé. Aujourd'hui, on en compte plus de 4 000.

Depuis 1995, ce domaine a suscité l’intérêt d’une très large communauté scientifique et les moyens d’étude au sol et les missions spatiales se sont multipliés. Ariel s’insère dans cet ensemble d’études au sol et spatiales destinées à dénombrer et caractériser ces exoplanètes.

Historique des missions spatiales relatives aux exoplanètes. Crédits : ESA.

Objectifs scientifiques

L’objectif de la mission Ariel est d’analyser l'atmosphère d’environ 1 000 exoplanètes massives, en majorité de grosses planètes chaudes, qui sont en orbite autour d’étoiles brillantes. Cette analyse se fera lors des transits à l’aide d’un spectromètre infra-rouge et permettra de connaître l’épaisseur des atmosphères, déterminera leur composition et leurs propriétés. 

La caractérisation des atmosphères apportera de nombreuses informations sur leur composition chimique, dressera un inventaire des molécules présentes, de leur abondance ainsi que le profil de température et de pression de l'atmosphère.

Ariel mesurera la composition et la structure de ces atmosphères planétaires ; il sera possible de savoir si cette atmosphère est dominée par l'hydrogène et l'hélium ou s'il s'agit d'une planète océan, avec une énorme abondance d'eau.
Ariel pourra détecter des molécules telles que l'eau, le méthane, le monoxyde ou le dioxyde de carbone ainsi que l'ammoniac ou le cyanure d'hydrogène. Le satellite pourra détecter la présence de nuages, éventuellement fournir quelques données météorologiques.

En prenant en compte la température de l'atmosphère et sa composition, il sera possible de déduire la composition des cœurs planétaires. Dans certains cas, Ariel pourrait étudier la dynamique de l'atmosphère, voir s'il y a un point chaud et mesurer la vitesse des vents par exemple.

Ainsi, Ariel tentera de répondre aux grandes questions scientifiques suivantes :

• De quoi est composée l’enveloppe gazeuse de ces exoplanètes ?

• Comment se forment-elles ?

• Comment ces planètes et leur atmosphère évoluent-elles au cours du temps ?

Ariel va donc étudier les liens entre la composition de l’atmosphère et la densité de la planète. Il sera possible d’en inférer la composition interne : planète rocheuse ou géante de glace par exemple.
De ces informations seront déduits les processus physiques clés qui influencent la composition et structure d'une atmosphère planétaire (impacts, radiations, volcanisme…).

Les objectifs scientifiques plus détaillés complèteront significativement les connaissances acquises jusqu’à ce jour.

• Détecter des atmosphères planétaires et déterminer leur composition de leur structure

• Déterminer le profil vertical de la température au sein des atmosphères observées ainsi que les variations journalières et saisonnières

• Identifier les processus chimiques qui s’y produisent dans ces atmosphères (thermochimie, photochimie, etc.)

• Déterminer précisément les compositions internes des exoplanètes

• Quantifier les échanges énergétiques (albédo, température)

• Déterminer l’évolution des systèmes exoplanétaires (migration)

• Détecter des atmosphères secondaires autour de planètes de type terrestre et comprendre leur évolution

• Évaluer l’impact de l’étoile et de l’environnement planétaire sur les caractéristiques des exoplanètes

Utilisation de la méthode des transits

La mission étudiera ces planètes en sondant leur atmosphère lors de transits. La méthode du transit est une méthode photométrique qui vise à détecter indirectement la présence d’une ou plusieurs exoplanètes en orbite autour d’une étoile.
Cette méthode consiste à mesurer régulièrement la luminosité d’une étoile afin de détecter la baisse de luminosité périodique associée au passage d’une exoplanète. Le passage d’une planète devant son étoile est nommé le transit.
On peut ainsi découvrir une nouvelle planète, et déterminer son rayon ainsi que sa période de révolution.

Méthode des transits. Crédits : ESA

La méthode de transit en tant que tel ne permet pas d’étudier en détail les caractéristiques de la planète. Cependant, l’étude de l’atmosphère des planètes découvertes par la méthode de transit peut être réalisée en combinant cette méthode avec la spectroscopie.
Cette technique, nommée spectroscopie de transit, permet d’étudier la composition et la structure de l’atmosphère des planètes qui transitent : La lumière de l’étoile traversant l’atmosphère de la planète, les spectres qui en résultent peuvent être analysés pour déterminer quels éléments y sont présents, fournissant ainsi des indices quant à la composition chimique de l’atmosphère.

Méthode des transits, variations du flux lumineux et spectroscopie. Crédits : UCL

Ariel aura la capacité unique de caractériser les atmosphères des planètes chaudes en ayant une approche statistique (plus de 1 000 planètes).
Les planètes sélectionnées proviendront des catalogues établis par les missions précédentes et les observations menées à partir du sol.

Mission

Ariel sera lancé depuis Kourou par un lanceur Ariane 62, en vol commun avec une autre mission de l’ESA, Comet Interceptor.
La phase de transfert vers l'orbite ciblée durera approximativement 30 jours.

Les observations scientifiques se feront depuis une orbite opérationnelle autour du deuxième point de Lagrange du système Soleil-Terre (L2). Cette orbite est sans éclipse, ni du Soleil ni de la Lune. Cela assure une stabilité thermique indispensable aux performances recherchées, tout en offrant un très large champ de vue.

Cartographie de la position de quelques cibles déjà identifiées de la mission ARIEL.
Elles sont réparties sur tout le ciel observable.

Ariel prévoit trois types de relevés :

• Un relevé général qui déterminera sur environ 1 000 planètes :

-    Quelle fraction de planètes ont des nuages ;
-    Si les petites planètes ont conservé une atmosphère de H/He ;
-    Le diagramme couleur-couleur ;
-    Les paramètres orbitaux des planètes avec une meilleure précision.

• Un relevé détaillé sur environ la moitié de ces planètes qui :

-    Identifiera les composants principaux de l’atmosphère ainsi que les composés gazeux présents à l’état de traces ;
-    Déterminera la structure thermique de l’atmosphère ;
-    Caractérisera les nuages présents.

• Un relevé de référence de l’ordre de 50 à 100 exoplanètes pour lesquelles seront étudiées :

-    La circulation atmosphérique ;
-    La variabilité temporelle et spatiale des caractéristiques observables de l’atmosphère.

Planning

En 2021, Ariel est en phase B2, de définition du satellite et de ses instruments.

Après le lancement en 2029, 3 mois seront dédiés à la recette en vol, puis 3 mois de plus début 2030 pour la vérification des instruments et la démonstration des objectifs scientifiques. La durée prévue de la mission est de 4 ans, avec la possibilité d’une prolongation de 2 ans.

Pendant les phases opérationnelles scientifiques, le taux d’observation attendu est de plus de 85%, ce qui est très élevé. En effet, sur l’orbite L2, peu de manœuvres sont prévues : des modes survie éventuels, les manœuvres mensuelles de “maintenance” et les pointages de cibles. Le reste du temps satellite est donc disponible pour les observations scientifiques, y compris les calibrations.

Les contacts avec les stations sol ne dégradent pas le taux d’observation : l’envoi de télémesure au sol et les observations peuvent en effet se faire en parallèle grâce à un mécanisme d’antenne spécifique.

En fin de vie, une manœuvre de désorbitage est prévue afin que le satellite ne pollue pas les orbites LEO (orbites basses entre 700 et 1 000 km d’altitude utilisées pour les observations de la Terre) et GEO (36 000km d’altitude, utilisée pour les télécommunications, la météorologie et la défense) et ne retombe pas sur Terre.

Ainsi, le satellite Ariel est en conformité avec la Loi sur les Opérations Spatiales afin de limiter les débris spatiaux.