Contexte

Depuis la détection de la première exoplanète Pegasi51 b sur le télescope de 1,93 m de l’Observatoire de Haute Provence en 1995, environ 6 200 exoplanètes sont aujourd'hui répertoriées. Toutefois, seules 30% d’entre-elles sont complètement identifiées (masse, rayon, distance à l’étoile…).

Contrairement aux étoiles, la lumière réfléchie par les planètes est peu intense et difficilement observable par des télescopes classiques. En revanche, les planètes sont détectables par des méthodes indirectes, notamment grâce aux perturbations qu’elles induisent sur leur étoile. Par exemple, la diminution d’une fraction de la lumière par l’étoile hôte lorsque les planètes passent entre celle-ci et la Terre. Cet évènement, appelé transit, est directement relié aux propriétés géométriques du système planétaire. La méthode du transit a permis de détecter les 3/4 des exoplanètes connues et de déterminer leur rayon et leur temps de transit.

Identifier ces transits pour des planètes de la taille de la Terre nécessite cependant d’être capable de mesurer d’infimes variations de la lumière de l’étoile. Ce niveau de performance n’est atteignable que grâce à des télescopes spatiaux en orbite autour de la Terre ou du point de Lagrange L2. C’est ce qu’ont fait remarquablement les missions spatiales CoRoT et Kepler. Elles recherchaient des planètes orbitant essentiellement autour d'étoiles très éloignées du Système Solaire.

CHEOPS étudie les planètes en orbite autour d’autres étoiles que notre Soleil mais suffisamment proches de notre Système Solaire pour pouvoir en déterminer très précisément les propriétés. Ces données, complétées par celles acquises depuis le sol ou l’espace par des grands télescopes, améliorent nos connaissances sur l’architecture des systèmes planétaires, leurs mécanismes de formation et d’évolution, mais aussi sur la diversité structurale et composition des petites planètes , de taille inférieure à Neptune.

Contrairement à d’autres télescopes spatiaux comme CoRoT,  Kepler ou Tess, CHEOPS n’a pas pour objectif de recenser de nouvelles exoplanètes dans différentes régions du ciel mais d’observer en détail le voisinage des étoiles déjà connues pour être entourées d’une ou plusieurs planètes. Les exoplanètes ciblées ont déjà été détectées voire identifiées par détection de transits, détermination de leur vitesse radiale ou imagerie directe. Ces méthodes de détection et d’observation des exoplanètes apportent des informations complémentaires. Les méthodes de transits ou l’imagerie directe donnent une première évaluation du diamètre de la planète et de la géométrie du système planétaire (orbite et distance à l’étoile hôte) et de l’activité de l’étoile. En revanche, la mesure des vitesses radiales réalisées depuis le sol avec des spectromètres de très haute-sensibilité permet de déterminer la masse de la planète. La densité apparente de la planète est ainsi déduite de la combinaison des mesures de masse et de diamètre et indique la composition globale de la planète. Est-elle rocheuse, composée d’un océan ou de couches de glace, d’un noyau métallique dense ?

CHEOPS complète ainsi la chaîne de mesures déterminant la structure de ces planètes. Les plus prometteuses sont celles appelées super-Terres, dont le rayon est compris entre 1,5 et 4 fois le rayon terrestre : il s’agit de planètes plus grosses que des « exo-Terres » rocheuses et plus petites que des planètes gazeuses de type Neptune (17 masses terrestres).

De telles planètes riches en eau n’existent pas dans notre système solaire, mais ont déjà été détectées et observées dans d’autres systèmes planétaires par les télescopes spatiaux Hubble, Spitzer, TESS et le télescope VLT au Chili. 

Dans certains des systèmes multi-planétaires, les mesures successives réalisées par CHEOPS aident à la détermination précise du mouvement complexe des planètes. À partir de modèles mathématiques, les masses des différentes planètes sont évaluées avec plus de précision. Là encore CHEOPS complète de façon déterminante les mesures obtenues avec d’autres méthodes.

La communauté scientifique espère aussi identifier grâce à la grande précision de mesure de CHEOPS, des types de planètes, en théorie possibles, mais qui n’avaient pas encore été observés, comme des mini-Neptunes et des planètes océan géantes. En 2023, CHEOPS a ainsi pu observer et confirmer l’existence de mini-Neptune, petites planètes gazeuses.

La découverte et l’étude de telles planètes modifient les hypothèses sur leurs conditions de formation, comme la masse nécessaire du cœur solide à partir de laquelle le gaz environnant est capturé pour obtenir une atmosphère d’épaisseur et de composition variable.

Les résultats de CHEOPS fournissent une collection de cibles privilégiées pour des études détaillées des propriétés physiques des planètes et de la composition de leur atmosphère. D’autres télescopes analyseront la lumière réfléchie par les atmosphères pour en déterminer la composition :

• Du côté américain avec le télescope spatial James Webb développé par la NASA, avec le concours des agences spatiales Canadienne et Européenne lancé le 25 décembre 2021.
• Du côté européen avec :
  • Au sol, l’European Extremely Large Telescope de l’ESO dont la mise en service est prévue en 2029.
  • Le télescope spatial de l’ESA, Ariel prévu pour un lancement en 2029.

Déroulé du projet

En trois ans et demi de mission nominale (mars 2020 à septembre 2023), CHEOPS a observé environ 670 étoiles possédant au moins une exoplanète. Le bon état des instruments, de la plate-forme et de la réserve d’ergol, a permis de prolonger la mission de septembre 2023 à décembre 2026. Placé en orbite basse à 700km d’altitude, le satellite a dû effectuer un seule manœuvre d’évitement.

Organisation

CHEOPS est la première petite mission sélectionnée par l’ESA (Mission S pour « Small ») du programme Cosmic Vision 2015-2025 et la première d'un trio de missions européennes dédiées aux exoplanètes, incluant deux missions moyennes (M) :

• Plato (M3) qui sera lancé fin 2026 et consacrée à la détection d’« exo-Terres » , situées dans la zone habitable de leur étoile hôte avec des périodes d’orbite de 0,5 à 2 années terrestres.
• Ariel  (M4) prévue en 2029 et dédiée à l'étude par spectrométrie IR des atmosphères des exoplanètes cibles.

L’ESA a financé les coûts de lancement et le pilotage technique du projet.  Elle s’est chargée de l’intégration, de la vérification et des tests du satellite qui a été mis en orbite par un lanceur Soyouz depuis le centre spatial guyanais.

Des pays membres ont assuré le développement et l’architecture de la charge utile (télescope et détecteurs) sous la responsabilité de la Suisse. Les miroirs du télescope sont italiens, le déflecteur est belge, l’unité de traitement des données et le logiciel de vol sont autrichiens, le radiateur est hongrois et le plan focal, assemblé en Allemagne, est équipé d’un capteur CCD anglais.

Le consortium a la charge de la fourniture de l’instrument (télescope et plan focal), du centre des opérations scientifiques (SOC), du centre des opérations spatiales (MOC), et du centre de données. Chaque pays est représenté par deux chercheurs cumulant à la fois une expertise scientifique et instrumentale. Deux membres de l’équipe CHEOPS de l’ESA seront également invités en tant qu’observateurs au consortium.

Le consortium définit 80% des cibles à étudier, et les 20 % du temps d’observation restants sont ouverts à appel d’offre pour toute la communauté scientifique. Les propositions sont sélectionnées selon leur intérêt scientifique par le PI et un comité d’allocation du temps, nommé par l’ESA mais indépendant.

L’exploitation scientifique est coordonnée en Suisse par l’université de Berne. Le consortium mené par l’Institut de physique de Berne fédère des instituts de recherche de 10 autres états membres de l’ESA : Autriche, Belgique, France, Allemagne, Hongrie, Italie, Portugal, Suède, Espagne et Royaume-Uni.