TPE : La vie humaine ailleurs ?

Les avancées technologiques et scientifiques

          Avec les nouvelles découvertes faites dans l'espace concernant la vie possible sur d'autres planètes, les chercheurs et astrophysiciens ne cessent de lancer de nouveaux objectifs. Grâce à sa curiosité, l'être humain est capable d'avancer et de se passionner pour tout ce qui lui est inconnu. C'est ainsi que nous fonctionnons : lorsque nous trouvons des réponses à des questions parfois "vieilles comme le monde", il n'est pas question de s'arrêter là. A quelle température l'eau peut-elle passer de l'état liquide à l'état solide ? A 0°C, me répondrez-vous...Oui, mais pourquoi se solidifie-t-elle ? C'est sur ce modèle de "une question entraîne une réponse qui entraîne une autre question" que l'être humain a choisi de se baser pour en apprendre toujours plus...Mais, au niveau de l'astrophysique, comment les scientifiques avancent-ils avec leurs découvertes ?

          Avec les nouvelles technologies, comme les bases spatiales, les satellites artificielles ou encore les sondes, l'être humain a pu non seulement étudier le vide intersidérale de l'espace, mais est également parvenu à s'y rendre. Thomas Pesquet, par exemple, est un astronaute français de l'ESA (ou "Agence Spatiale Européenne") envoyé le 17 Novembre 2017 vers la Station Spatiale Internationale. Il a alors passé 196 jours à bord, avant de la quitter le 2 Juin 2017. Cette expédition nous montre à quel point l'être humain est capable de s'aventurer pour pouvoir mener à bien ses projets de découverte. Tout d'abord, nous définirons et exprimerons l'équation de Sara Seager dans une fiche détaillée, puis nous étudierons les différentes intelligences artificielles avant de nous intéresser à la miniaturisation des satellites.

A) FICHE TECHNIQUE : Qu'est-ce que l'équation de Sara Seager ?

Sara Seager est une astronome et planétologue canado-américaine, également professeure à l'Institute of Technology du Massachussetts. Spécialisée dans l'étude des exoplanètes et tout particulièrement de leur atmosphère, elle a écrit de nombreux ouvrages et s'est vue attribuer un prix MacArthur en 2013. Elle développa une équation modifiée de l'équation de Drake, célèbre proposition mathématique concernant certaines branches scientifiques : il s'agit d'un calcul permettant plus précisément de trouver les planètes où la vie pourrait évoluer.

Sara Seager

Cette formule permet de chercher le nombre de planètes ayant une signature gazeuse anormale et pouvant être détectées dans une dizaine d'années. Or, si une planète possède un gaz qui ne devrait pas y être naturellement, c'est qu'une forme de vie le produit probablement. Par exemple, sans la vie sur Terre, il n'y aurait presque pas d'oxygène dans l'atmosphère...

Cette équation alors, quelle est-elle ?

Le coin des démonstrations :
L'équation de Sara Seager est :

avec 7 variables :

• N : il s'agit du nombre de planètes ayant une signature gazeuse anormale
  
• N* : il s'agit du nombre d'étoiles prises en compte dans le calcul
• F_Q : il s'agit de la fraction d'étoiles dites "calmes", s'opposant ainsi aux étoiles ayant une activité météorologique ou gazeuse trop importante, ce qui rend la présence de vie impossible...
• F_Hz : il s'agit de la fraction de planètes rocheuses dans la zone habitable du système étudié
• F_o : il s'agit du nombre de systèmes observables
• F_L : il s'agit de la fraction de planètes avec une forme de vie connue, c'est-à-dire la Terre
• F_S : il s'agit de la fraction de planètes ayant une signature spectroscopique détectable, pour lesquelles il est possible d'observer la composition gazeuse

Cette équation est peut-être la nouvelle clé mathématique concernant la quête d'une vie extraterrestre ! Ainsi, puisqu'il comporte sept variables, dont la valeur peut évidemment différer avec le temps et selon les scientifiques l'utilisant, ce calcul n'est pas totalement fiable. Sara Saeger elle-même se donne une marge d'erreur. Par exemple, N* et F_o sont deux termes de l'équation que évolueront avec les avancées technologiques. Cependant, pour le moment, d'après les calculs de l'astronome, il est probable que l'on découvre deux planètes ayant une signature gazeuse anormale d'ici les dix prochaines années.

Tableau des valeurs actuelles des variables de l'équation

Cette équation se nourrit donc des avancées scientifiques de notre époque.

B) Les intelligences artificielles

          L'intelligence artificielle, souvent notée IA, est considérée comme l'ensemble des théories et des techniques mises en œuvre en vue de réaliser des machines capables de "simuler" l'intelligence. C'est donc un ensemble de concepts et de technologies, et non pas une discipline autonome constituée.

a) La lentille gravitationnelle

          Une étude rapporte que les réseaux de neurones peuvent analyser les distorsions complexes de l'espace-temps que l'on nomme "lentilles gravitationnelles". C'est un terme de l'astrophysique désignant en réalité un mirage gravitationnelle produit par la présence d'un corps céleste massif, comme un amas de galaxies, se situant entre un observateur et une source lumineuse assez lointaine.

          En imprimant un fort champ gravitationnel autour d'elle, la lentille fera dévier les rayons lumineux à proximité, et déformera donc les images reçues par un observateur placé sur la ligne de visée. Un champ gravitationnel est réparti dans l'espace, il est dû à la présence d'une masse susceptible d'exercé une influence gravitationnelle sur un autre corps proche. Si nous sommes dans un cas où l'alignement de la source observée et du corps céleste (qui joue le rôle de la lentille gravitationnelle) par rapport à l'observateur, le mirage peut prendre la forme de ce que l'on appelle un "anneau d'Einstein". Qu'est-ce donc que cet anneau ? Il s'agit en réalité du résultat de la déformation d'une source lumineuse passant à travers une lentille gravitationnelle formée par un corps céleste extrêmement massif, comme, par exemple, une galaxie ou un trou noir. Cette déformation prend alors la forme d'un anneau, d'où le nom. Pour que ce phénomène, nommé en l'honneur d'Albert Einstein, bien sûr, qui est à l'origine de l'existence des lentilles gravitationnelles grâce à sa théorie de la relativité générale, soit visible, il faut que l'observateur, la lentille et la source soient parfaitement alignés, mais aussi que l'observateur soit assez proche du point où l'image de l'objet se forme. La taille de l'anneau d'Einstein est ainsi donnée en radian.

Le coin des démonstrations :

avec :
 la taille angulaire en radian
 la constante gravitationnelle
 la masse de la lentille
 la vitesse de la lumière, soit 3,0 x 10⁸ m/s
 la distance angulaire de la lentille
 la distance angulaire de la source
 la distance angulaire entre la lentille et la source

De plus, la constante gravitationnelle se calcule ainsi :

          Plusieurs mirages gravitationnels ont pu être observé depuis la mise en avant de la relativité générale par Einstein, notamment grâce au télescope spatial Hubble. Ils sont particulièrement présents lorsque nous faisons des clichés de champs profonds de l'univers observables. Leurs effets peuvent même servir à détecter de la matière noire présente dans l'Univers. La matière noire est une catégorie de matière hypothétique permettant de rendre compte d'observations astrophysiques, comme les estimations de la masse des galaxies. Elle serait composée de gaz moléculaires, d'étoiles mortes, de npmbreuses naines brunes, de trous noirs...La matière noire pourrait avoir une abondance jusqu'à cinq fois supérieure à celle de la matière baryonique, constituant environ 27% de la densité d'énergie totale de l'Univers observable !

          Il existe trois catégories de lentilles gravitationnelles, qui sont :

• les lentilles gravitationnelles fortes : elles peuvent produite des images multiples et même des anneaux d'Einstein
• les lentilles gravitationnelles faibles : elles sont plus difficiles à observer que les lentilles gravitationnelles fortes peuvent être produites par des corps célestes de masse plus ou moins grande
• les microlentilles : elles permet d'étudier les objets qui émettent peu, voire pas du tout de lumière.

          Imaginons maintenant qu'une galaxie proche et un quasar lointain se trouvent aligné sur une même ligne de visée dans la même direction du ciel par un pur hasard, un quasar étant une galaxie très énergétique avec un noyau galactique actif. La lumière provenant du quasar est alors particulièrement déviée lors de son passage près de la galaxie. Les rayons lumineux du quasar passant légèrement au-dessus de la galaxie sont donc déviés vers le bas et nous donnent à une image du quasar décalée vers le haut. A contrario, les rayons lumineux qui passent sous la galaxie sont déviés vers le haut et donnent naissance à une image du quasar décalée vers le bas. Ainsi, la galaxie proche donne naissance à plusieurs images de celui-ci en perturbant la propagation de la lumière du quasar. On détermine le nombre total d’images grâce à la forme de la galaxie et la précision de l’alignement.

          De plus, après avoir multiplier les images du quasar, la galaxie va aussi concentrer ses rayons lumineux et produire des images plus brillantes. Cet effet est loin d’être négligeable pour l’astronome qui essaye d’observer des corps très peu lumineux.

Un anneau d’Einstein

b) Une exoplanète découverte par une IA

          La Nasa a annoncé la découverte d'un système solaire semblable au notre en miniature autour de l'étoile Kepler-90, le 14 Décembre 2017. L'intelligence artificielle a alors permis aux astrophysiciens de découvrir une huitième exoplanète dans ce système solaire, qui devient alors le premier système à compter le même nombre de planètes que celles en orbite autour de notre Soleil ! Cette exoplanète rocheuse est baptisée Kepler-90i, et elle est située à 2545 années-lumière de la Terre...un sacré bout de chemin à parcourir, quand même !

          Kepler-90i, environ 30% plus grande que la planète Terre, a été détectée il y a peu, mais est déjà classée dans les planètes inhospitalière, avec une température moyenne de 426°C à sa surface, comme sur Mercure. En effet, elle est beaucoup trop proche de son étoile, dont elle fait le tour en 14,4 jours...Cependant, une autre planète du même système solaire, Kepler-90h, se trouve à la même distance de son étoile Kepler que la Terre du Soleil, d'après la Nasa.. Le système stellaire Kepler-90 est une version miniaturisée de notre système solaire à nous, avec de petites planètes proches de leur étoile qui, en s'éloignant, deviennent de plus en plus grosses. Elles sont cependant beaucoup plus resserrées que dans notre système. Du moins, c'est ce qu'explique Andrew Vanderburg de l'université du Texas à Austin.

          La question que nous nous posons alors est : comment l'intelligence artificielle, ou "réseau neuronal", a-t-elle permis cette découverte incroyable aux yeux des astrophysiciens ? En effet, cette expérience montre que l'intelligence artificielle, en plus d'être un outil moderne, est extrêmement prometteuse pour trouver des signaux plus faibles, notamment des signaux de planètes lointaines. Ainsi, une machine à apprendre de Google a enseigné à un ordinateur à scanner 35 000 signaux d'exoplanètes potentielles captés par le télescope américain Kepler quand une planète passait devant son étoile. Lorsque cet événement se produisait, on pouvait observer une baisse de luminosité de l'étoile. Cette approche a déjà permis de découvrir 2 500 exoplanètes...

Vue d'artiste du télescope Kepler

         Dernièrement, le 2 Février 2018, la Nasa a annoncé une découverte incroyable : les sept planètes du système Trappist-1 sont, comme la Terre, des planètes rocheuses possédant une atmosphère pauvre en hydrogène (un gaz néfaste au développement de la vie) et qui pourraient probablement abriter de grandes quantités d'eau et donc, théoriquement, de la vie ! L'étoile Trappist-1a est une naine rouge "super froide" située à 39 années-lumières de la Terre et découverte en 2005. 

Illustration de la Nasa comparant le système solaire au système Trappist-1

          L'avancée technologique et scientifique est en marche, de nouvelles découvertes ne cessent de se faire tous les jours. Grâce à cette nouvelle technique d'intelligence artificielle imitant la structure du cerveau humain en pouvant classer les informations et apprendre le nombre de découvertes qui devraient encore augmenter d'après les scientifiques. Ils prévoient alors d'appliquer cette incroyable approche au 150 000 étoiles environ scrutées par Kepler pendant quatre ans.

C) La miniaturisation des satellites

          La miniaturisation des satellites consiste à réduire la masse des satellites artificielles et des sondes spatiales, afin de permettre l'abaissement des coûts de lancements et la diminution de l'énergie consommée.

a) Comment est-ce possible

          Comparé à un gros satellite commercial, un nanosatellite est un satellite de petite taille, qui permet de tester à bas coût et rapidement de nouvelles technologies dans l’espace et de collecter des données (observation environnementale…). Une fois la technologie validée dans l’espace, elle pourrait être développée pour les gros satellites, sans risque. Comme pour les téléphones portables, la miniaturisation liée à l’évolution de la technologie va permettre de développer des applications de plus en plus performantes.

• La plateforme : L’ensemble des éléments qui permettent au nanosatellite de fonctionner : la structure mécanique, l’ordinateur de bord « OBC » (le cerveau du nanosatellite), le système de production et stockage d’énergie « EPS » (panneaux solaires, batterie, carte de gestion…), un système de télécommunication (antennes, émetteur / récepteur…). Certains CubeSats, et en particulier les 3Unités, sont aussi équipés d’un contrôle d’attitude, qui permet de les orienter dans l’espace.
• La charge utile, ou l'expérience : Equipement placé à l’intérieur de la plateforme, spécifique à chaque mission et qui va réaliser l’expérience (test de tolérance aux radiations, transfert de données, observation …).
• Survie : L’espace est un environnement hostile. Le nanosatellite doit y survivre durant toute la durée de la mission. Après avoir subi de très fortes vibrations au décollage de la fusée, il doit aussi résister à des températures très élevées face au soleil, au très grand froid à l’ombre, aux radiations extrêmement agressives de l’espace, avec les contraintes du vide de l’espace, qui empêchent les échanges thermiques par convection et qui produisent des dégazages.
• Développement durable : Sa mission terminée, ou en cas de défaillance, il ne doit pas constituer un débris qui puisse endommager les autres satellites ou polluer l’espace. Il faut donc le faire redescendre vers la Terre et se consumer en rentrant dans l’atmosphère. Tous nos nanosatellites sont compatibles avec la loi L.O.S. relative aux opérations spatiales, qui garantie notamment cet aspect de développement durable.

          Prenons pour exemple le nanosatellite Dove de la société Planet, ce nanosat de 10*10*30cm possède un poids d’environ 5kg stabilisé sur 3 axes et ne dispose d’aucune source de propulsion. Sa charge utile se limite à un dispositif optique composé d’une caméra CCD offrant une résolution spatiale comprise entre 3 et 5 mètres. Chaque satellite Dove permet de collecter 2 millions de kilomètres carrés par jour et le satellite complète une orbite en environ 90 minutes. A titre de comparaison, ces petits satellites de quelques kilos seulement offrent aujourd’hui des résolutions d’image bien supérieures au satellite SPOT lancé en 1986 qui pesaient alors 1,7 tonnes.

          La réduction de la taille des satellites permet à la fois de rationaliser les coûts de production mais surtout de mise en orbite grâce à un poids bien inférieur à celui des satellites d’observation traditionnels.

b) Les nanosatellites, nouvelles stars de l'espace

          Depuis quelques années, l’émergence de nouveaux acteurs commerciaux chamboule le monde de l’observation spatiale et semble donner un nouvel élan à ce marché qui, autrefois réservé aux institutions, se démocratise de plus en plus. L’essor des technologies et plus particulièrement de la miniaturisation des satellites permettent à ces nouvelles entreprises de réduire drastiquement les coûts et de mettre en orbite de véritables constellations de satellites.

          La résolution d’image n’est plus le seul argument avancé par les opérateurs, le nombre de satellites qui composent ces constellations permet aujourd’hui des taux de revisite encore inédits et contribue à la mutation des modèles de fourniture d’image traditionnels. Estimé à 3,5 milliards de dollars par Euroconsult, le marché de l’observation spatiale bénéficie d’une croissance annuelle très élevée qui attire de nombreux investisseurs. « Nous croyons qu’il y aura un moment unique où cette industrie va être similaire à ce qui s’est passé, par exemple, dans la navigation », a déclaré Wade Larson, président et chef de la direction d’Urthecast à Vancouver.

          Aujourd’hui, la bataille fait rage entre les différents acteurs de l’observation spatiale qui adaptent leur stratégie pour proposer une imagerie abondante et bon marché. La quantité de données générées par ces nouvelles constellations pousse la sphère privée à se tourner vers de nouvelles solutions automatisées, faisant notamment appel à l’intelligence artificielle, pour proposer des services et débouchés commerciaux innovants. La maîtrise du cycle de vie de l’image, de sa collecte à sa valorisation, de son mode de diffusion semble être aujourd’hui la clef du succès pour démocratiser l’imagerie spatiale au plus grand nombre.

          Pour créer ces nanosatellites, certains de ces nouveaux acteurs ont littéralement pris le contre-pied de l’industrie spatiale traditionnelle en utilisant des techniques de fabrication modernes et industrielles, ainsi que des méthodes de l’électronique grand public pour concevoir les satellites et leurs systèmes de contrôle de mission (X. Pasco 2017). Cette nouvelle approche permet de produire des satellites en série et d’optimiser les coûts comme de faire évoluer rapidement les générations de matériels.

          L’exemple des satellites de l’ancienne société Skybox est également intéressant, pour un volume plus proche de celui d’un mini-frigo et un poids d’environ 100kg, les SkySat offrent une résolution proche du mètre, secondé par la capacité de capturer de courtes vidéos (de 30 à 90 secondes). Récemment acquis par la société Planet, ces satellites viennent compléter la constellation de satellites de la startup pour compléter son offre avec des images de haute résolution.

          Le faible coût d’infrastructure de ces projets incite des investisseurs privés non issus du secteur spatial à investir dans ce secteur prometteur. Le rachat par Google de la société Skybox en 2014 (rebaptisée par la suite Terra Bella puis revendu à Planet en 2017) est l’illustration parfaite de cette tendance.