Disques de débris planétaires découverts avec des scientifiques citoyens et la réalité virtuelle
Les astronomes disposent de nombreux outils pour étudier le cosmos : télescopes, satellites, engins spatiaux interplanétaires, etc. L’humble œil humain est également un élément essentiel de cette boîte à outils, car il peut souvent repérer des modèles ou des aberrations que les algorithmes manquent. Et le pouvoir d’examen de notre vision a été renforcé récemment par la réalité virtuelle (VR) ainsi que par des milliers d’yeux travaillant en tandem grâce au pouvoir de crowdsourcing d’Internet.
Des chercheurs du Goddard Space Flight Center de la NASA ont récemment annoncé la découverte de 10 étoiles entourées de disques de débris poussiéreux – des masses tourbillonnantes de gaz, de poussière et de roches laissées après les premières phases de la formation des planètes. Ce résultat, rendu possible par la réalité virtuelle et l’aide de scientifiques citoyens, a récemment été publié dans le Journal astrophysique. Les résultats pourraient aider les astronomes à reconstituer une chronologie de la construction des systèmes planétaires.
Les disques de débris englobent diverses étapes de la formation des planètes, y compris les ères de jeunesse dans lesquelles les mondes sont encore incrustés dans les détritus des processus désordonnés et chaotiques de leur naissance. Bien que les astronomes aient réussi à en voir quelques-unes directement, la plupart de ces jeunes planètes sont hors de portée des télescopes actuels. La création d’un système planétaire prend des millions d’années, de sorte que chaque disque de débris que les observateurs voient n’est qu’un bref instantané d’un moment de la vie de ce système. Pour découvrir toute l’histoire, les astronomes recherchent de nombreux systèmes planétaires couronnés de disques à différents stades d’évolution, rassemblant plusieurs instantanés à reconstituer dans le temps.
Pour chasser les disques de débris, les observateurs commencent généralement par rechercher des étoiles qui apparaissent particulièrement brillantes dans l’infrarouge ; cette luminosité anormale provient généralement d’un excès de poussière chauffée par la lumière des étoiles dans un disque autour d’une étoile. Le télescope infrarouge WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer) de la NASA a sondé le ciel entier, créant ce qui, à certains égards, est le catalogue le plus complet de mesures infrarouges stellaires à ce jour. Avec des dizaines de milliers de points de données à analyser et de nombreux disques de débris probablement cachés dans le catalogue WISE, que doit faire un scientifique ?
« C’est un excellent exemple de la façon dont une grande partie de l’astronomie moderne implique la recherche d’énormes ensembles de données pour l’aiguille proverbiale dans la botte de foin », déclare Meredith Hughes, astronome à l’Université Wesleyan, qui n’a pas participé à l’étude. « Même avec des algorithmes d’apprentissage automatique, il est toujours difficile de former des ordinateurs pour effectuer ce travail complexe d’identification de modèles bruyants et de détection de déviations subtiles par rapport aux attentes, c’est là qu’intervient l’intelligence collective de la science citoyenne. »
Un projet appelé Disk Detective a formé des scientifiques citoyens – des personnes ordinaires qui souhaitent aider à la recherche pendant leur temps libre – à examiner les images WISE et à les comparer à celles d’autres enquêtes astronomiques, telles que le SkyMapper Southern Sky Survey, le Pan-STARRS et le Two Micron All Sky Survey (2MASS), dans le but de confirmer la présence de disques autour de chaque étoile candidate. Depuis le début du projet en 2014, les scientifiques citoyens ont trouvé plus de 40 000 disques, soit 40 000 instantanés de l’histoire de la formation des planètes.
Pour les mettre dans une chronologie, cependant, les astronomes doivent déterminer où appartient chaque instantané. En d’autres termes, les scientifiques doivent connaître l’âge de chaque étoile et de son disque de débris. « Lorsque nous connaissons l’âge des étoiles et des planètes, nous pouvons les placer dans une séquence, du bébé à l’adolescent à l’adulte, si vous le souhaitez », explique Marc Kuchner, astrophysicien de la NASA et co-auteur de la nouvelle étude. « Cela nous permet de comprendre comment ils se forment et évoluent. »
Déterminer l’âge d’une étoile avec une précision substantielle est un problème notoirement délicat en astronomie. Une solution consiste à associer une star à ses frères et sœurs, dans une association appelée groupe de déménagement. Les étoiles se forment souvent en amas à partir d’un nuage de gaz géant, mais bon nombre de ces familles stellaires autrefois proches se séparent à mesure qu’elles vieillissent, leurs membres individuels se répandant à travers la Voie lactée. En mesurant soigneusement les emplacements et les vitesses des étoiles, les chercheurs peuvent déterminer quelles étoiles affichent les mouvements révélateurs qui, retracés en arrière, révèlent qu’elles sont nées collectivement au même moment et au même endroit. Une fois que les astronomes savent que les étoiles d’un groupe sont liées, il est simple de calculer leur âge en se basant sur une connaissance établie de la croissance et de l’évolution des étoiles.
Trouver de nouveaux membres du groupe de déménagement n’est pas facile. Pour ce faire, les astronomes s’appuient traditionnellement sur l’analyse de listes préexistantes d’étoiles à groupes mobiles, en signalant de nouveaux membres potentiels via des modèles mathématiques sophistiqués. L’équipe derrière le nouveau projet voulait essayer quelque chose de différent et de plus viscéral : elle a utilisé un programme VR pour zoomer autour des étoiles et obtenir une perspective tridimensionnelle plus claire sur la façon dont les choses bougent.
« Je pensais que j’allais faire peur [NASA’s VR scientists] loin quand j’ai dit que je voulais visualiser les positions et les vitesses de quatre millions d’étoiles », explique Kuchner. « Mais ils n’ont pas sourcillé ! » Pour créer cette corne d’abondance stellaire virtuelle, l’équipe a utilisé les données de Gaia, un satellite de l’Agence spatiale européenne qui fournit les meilleures mesures disponibles pour les positions et les vitesses des étoiles de notre galaxie. La simulation VR qui en a résulté a également servi de sorte de machine à voyager dans le temps. Savoir à quelle vitesse et dans quelle direction une étoile se déplaçait a permis à Kuchner et à ses collègues de suivre son mouvement en arrière et en avant dans le temps.
Alors qu’elle était chercheuse invitée à la NASA, l’auteure principale de l’étude, Susan Higashio, a attaché un casque VR pour survoler les millions d’étoiles de la simulation. Elle a examiné où se trouvaient les étoiles avec des disques par rapport à des groupes mobiles connus et a extrapolé les mouvements des étoiles vers l’avant et vers l’arrière dans le temps pour tester leurs associations potentielles. « C’était tellement excitant quand les quatre millions d’étoiles sont apparues en VR, mais c’était un peu vertigineux quand elles ont toutes commencé à tourbillonner autour de moi », se souvient-elle. « C’était une façon vraiment amusante et interactive de faire de la science. »
Higashio a retracé 10 des disques de débris de Disk Detective jusqu’à leurs familles de groupes mobiles. L’équipe a ensuite trouvé l’âge estimé de ces disques, qui variait de 18 millions à 133 millions d’années. Tous étaient extrêmement jeunes, comparés à notre système solaire domestique, qui a environ 4,5 milliards d’années. Les chercheurs ont également identifié un tout nouveau groupe mobile appelé Smethells 165, d’après son étoile la plus brillante. « Chaque fois que nous trouvons un nouveau groupe mobile, c’est un nouveau lot d’étoiles dont nous connaissons plus précisément l’âge », explique Kuchner.
Les astronomes ont également trouvé un disque de débris étrange et extrême autour d’une étoile surnommée J0925 qui ne correspond pas tout à fait à leur calendrier prévu de formation de la planète. Il est beaucoup plus brillant dans l’infrarouge, ce qui signifie qu’il contient plus de poussière, que prévu pour une étoile de son âge. Au fur et à mesure que les disques de débris vieillissent, une partie de leur poussière s’enroule dans l’étoile ou est emportée par les vents stellaires. J0925, cependant, semble avoir reçu une nouvelle livraison de poussière chaude, peut-être d’une collision récente entre deux protoplanètes. Hughes met en évidence cette étoile comme l’objet le plus intéressant découvert dans l’étude. « Les disques de débris extrêmes sont encore un peu mystérieux, mais ils sont probablement similaires à ce à quoi notre système solaire aurait ressemblé lors de l’impact géant qui a formé la lune de la Terre. »
Le travail de science citoyenne de Disk Detective est toujours en cours, maintenant mis à niveau pour utiliser le lot de données le plus récent de Gaia. L’équipe espère identifier encore plus de membres de groupes mobiles et de nouveaux disques avec leur méthode VR unique. Lisa Stiller, l’une des nombreuses co-auteures scientifiques citoyennes de l’étude, offre des encouragements aux volontaires potentiels. « N’hésitez pas à participer à un projet de science citoyenne », dit-elle. « Votre aide sera nécessaire, quelle que soit la forme que vous choisissez ou le temps que vous choisissez de vous consacrer. »
Toute personne disposant d’une connexion Internet peut toujours rejoindre le projet Disk Detective, aucune expérience n’est requise. « Plus de 30 000 scientifiques citoyens ont contribué », déclare Kuchner. « Les Disk Detectives travaillent toujours sur des centaines de milliers d’images WISE. Nous avons toujours besoin de votre aide. »