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À la poursuite des exoplanètes
(Cet article a été publié en octobre 2015, et remis à la une de CNRS le journal à l'occasion du prix Nobel de physique 2019 que se partagent James Peebles pour des “découvertes théoriques en cosmologie physique", Michel Mayor et Didier Queloz pour la “découverte d’une exoplanète orbitant autour d’une étoile similaire au Soleil”.)
« Nous avons découvert la première planète située en dehors de notre système solaire. Elle s’appelle 51 Pegasi b. » Le 6 octobre 1995, à l’occasion d’un colloque à Florence, Michel Mayor et Didier Queloz annoncent leur trouvaille devant un parterre de 300 spécialistes. Cette découverte est l’aboutissement de travaux entamés dans les années 1970. Mayor s’intéresse alors aux variations fines de vitesse des étoiles, leur mouvement. L’objectif : chercher des naines brunes, étoiles « ratées » de masse insuffisante pour démarrer ou maintenir les réactions de fusion nucléaire. En arrière-pensée : apporter la preuve de l’existence d’autres systèmes planétaires.
Les balbutiements d'une quête
Avec l’opticien français André Baranne et le Genevois Jean-Luc Poncet, Michel Mayor se lance dans la construction de spectrographes de plus en plus puissants. Ces instruments permettent d’analyser la lumière émise par une étoile. Le spectrographe Élodie est installé en 1993 à l’Observatoire de Haute-Provence1 — alors unité propre de recherche du CNRS. Dès sa mise en place, Michel Mayor et Didier Queloz matraquent une dizaine d’étoiles dont 51 Peg, située à 42 années-lumière de la Terre. Didier Queloz passe ses nuits au télescope. Il finit par identifier sur 51 Peg une variation du signal, de grande amplitude, mais sur une courte période. À l’automne 1994, il décide de mesurer toutes les nuits les radiations de cette étoile. Le signal se confirme.
« Ce n’était encore qu’un balbutiement. Nombreux sont ceux qui ont émis des doutes : une planète ne peut pas être si proche de son étoile. Certains ont proposé une autre interprétation : c’est de la pulsation stellaire, raconte François Bouchy, astrophysicien au Laboratoire d’astrophysique de Marseille2 et à l’Observatoire de Genève, qui finissait son master à l’époque. Dès le lendemain de l’annonce, une équipe américaine mesure à son tour le signal : l’objet céleste, d’une masse presque équivalente à celle de Jupiter, tourne autour de son étoile en seulement 4,2 jours. Michel Mayor et Didier Queloz ont fini par accrocher ce qu’on appelle aujourd’hui un Jupiter chaud, 51 Peg b. Ils ne l’ont pas lâché et sont allés jusqu’au bout. D’autres équipes auraient jeté l’éponge. » Cette découverte marque le début d’une chasse mondiale aux exoplanètes. Partout dans le monde, des équipes participent à la traque. Selon la Nasa, depuis vingt ans, 1 892 exoplanètes ont été confirmées auxquelles il faut ajouter 5 596 candidats potentiels restant à confirmer.
Détecter n’est pas voir
Dénicher des exoplanètes, autant chercher une aiguille dans la voie lactée. Premier obstacle : la distance. Les systèmes exoplanétaires sont situés à quelques années-lumière pour les plus proches. Deuxième obstacle : la faible luminosité émise par les planètes extrasolaires. Les exoplanètes sont bien plus petites que les étoiles autour desquelles elles tournent. Elles n’émettent pas de lumière, sauf dans certains cas du rayonnement thermique, et sont donc peu visibles. Jupiter, qui a une masse 1 000 fois moins importante que le Soleil, réfléchit 1 milliard de fois moins de lumière.
Détecter une planète extrasolaire peut se faire de manière directe, en imageant la lumière de l’exoplanète, ou de manière indirecte en analysant la lumière qui vient de l’étoile. Depuis les débuts de la quête des exomondes, plusieurs méthodes de détection indirectes se sont développées et ont été perfectionnées. Pour François Bouchy, « il n’y a pas de bonnes ou de mauvaises techniques : elles sont complémentaires. Une très forte synergie entre les techniques est indispensable. Tout comme entre les instruments sols et les missions spatiales ».
ne misait sur
la méthode
des transits.
On se rend compte
maintenant que
c’est une niche
incroyable.
L’une des principales méthodes de détection indirecte est la méthode des transits qui consiste à détecter la légère baisse de luminosité lorsqu’une planète passe devant son étoile. Pionnier discret (et archiviste des exoplanètes), Jean Schneider3 suggère dès 1988 d’utiliser cette technique. « Au début, personne ne misait sur cette approche et on se rend compte maintenant que c’est vraiment une niche incroyable », précise François Bouchy. Elle est complétée par la méthode des vitesses radiales, utilisée par l’équipe de Michel Mayor pour 51 Peg b, qui se base sur le fait que planètes et étoiles tournent autour d’un centre de gravité commun. Ainsi, en présence d’une planète, l’étoile décrit des orbites très petites mais néanmoins décelables.
L’analyse spectroscopique des ondes lumineuses émises va alors permettre de détecter le déplacement qu’une planète impose à son étoile par effet Doppler : en mouvement, la lumière de l’étoile va passer périodiquement du bleu au rouge (décalage spectral) selon qu’elle s’éloigne ou se rapproche de l’observateur. En combinant ces deux méthodes (transits et vitesses radiales), les chercheurs peuvent désormais obtenir avec précision la masse, le rayon et la densité des exoplanètes.
De plus, les techniques au sol ne cessent de s’améliorer – et permettent désormais des détections directes, notamment grâce au développement des systèmes de correction optique en temps réel. L’atmosphère terrestre n’étant pas homogène, l’optique adaptative permet de compenser les turbulences atmosphériques qui vont venir dévier les rayons lumineux provenant de l’étoile. Autre technique, la coronographie permet, quant à elle, d’atténuer la lumière de l’étoile pour révéler celle de la planète. De très nombreux projets à venir, dans les plus grands télescopes terrestres ou spatiaux, y sont consacrés. C’est le projet de l’E-ELT, European Extremely Large Telescope, télescope européen au Chili, dont la mise en service est prévue pour 2024.
Un nouveau domaine : l’exobiologie
Grâce à la précision de ces télescopes, l’exploration de l’Univers prend un nouveau tournant. Les connaissances sur l’évolution planétaire permettent aujourd’hui de se poser la question des conditions d’émergence et de maintien de la vie terrestre et extraterrestre. Question à laquelle est dédiée une discipline nouvelle : l’exobiologie. Par essence pluridisciplinaire, elle rassemble physiciens, chimistes, biochimistes, biologistes, climatologues, géochimistes et planétologues. L’exobiologie donne des clés d’accès aux processus d’évolution à long terme des atmosphères, des surfaces et des climats. Le fil rouge exobiologique : l’habitabilité.
Selon la Nasa, seules 12 exoplanètes telluriques confirmées se trouveraient dans la zone habitable de leur étoile, une zone ni trop proche ni trop éloignée, où de l’eau pourrait exister à l’état liquide. En arrivant à caractériser les constituants de l’atmosphère d’une super-Terre localisée dans cette zone, les chercheurs pourront essayer de déceler des biotraceurs : oxygène, ozone, méthane. Et les prospectives extraterrestres se poursuivent. Depuis 2008, deux chercheurs en météorologie dynamique, François Forget4 et Jérémy Leconte, développent un modèle numérique permettant d’imaginer le climat sur les planètes extrasolaires.
Trois paramètres s'avèrent indispensables : l’insolation de la planète (fonction de sa distance à l’étoile et de sa taille), son orbite et sa rotation sur elle-même et la composition de son atmosphère. L’objectif est de déterminer les climats qui permettraient à la vie de se développer. Le télescope E-ELT, qui sera mis en place en 2024, pourra rendre possible ce type de détection.
Pour le moment, la distance qui nous sépare des exoplanètes rend le voyage interstellaire impossible. Les programmes d’exploration se font depuis la Terre ou via les télescopes spatiaux en sélectionnant les meilleures candidates – et en attendant d’avoir plus d’indices. « Ces dernières années, explique l’astrophysicien François Bouchy, certains projets spatiaux de caractérisation d’atmosphère ont été mis sur la touche car jugés trop risqués, mais ils seront resoumis. Le nombre d’exoplanètes telluriques appropriées pour un sondage de leur atmosphère explose et les techniques progressent. Qui sait ce qui se passera d’ici à 25 ans ? »
Une cartographie de plus en plus riche
Si la révolution exobiologique n'est pas pour demain, la connaissance des exomondes continue de progresser. Les nombreuses planètes extrasolaires découvertes ont révélé une diversité inattendue : des périodes orbitales excentriques, parfois inférieures à 24 heures, des masses pouvant excéder largement celle de Jupiter… La variété des systèmes planétaires est étonnante. À ce jour, les chercheurs ont établi trois types d’exoplanètes. Les planètes de type terrestre, telluriques ou rocheuses, de masse comprise entre 1 et 10 masses terrestres, sont appelées « super-Terres ». Pour les planètes gazeuses, on distingue deux types d’exoplanètes : les planètes de type Neptune et les planètes de type Jupiter – chaud ou froid selon leur distance à l’étoile. Pour François Bouchy, la classification des objets n’est pas encore arrêtée – selon qu’on les catalogue par leur masse ou leur rayon – mais reste un repère. Le but est de collecter de plus en plus de critères de classification accessibles : de toutes les exoplanètes confirmées, seules quelques dizaines ont actuellement une fiche d’identité bien remplie.
Cette diversité des structures internes et des compositions des systèmes planétaires n'empêche pas d'espérer découvrir des planètes telluriques dans la zone habitable des étoiles proches et brillantes. La chasse aux cousines de la Terre est ouverte.
Sur le même sujet :
Exoplanètes, à la recherche de nouveaux mondes ? (un webdoc proposé par les dossiers Sagasciences)
Sur notre site :
Quel climat pour les exoplanètes ?
Sphère, un œil sur les exoplanètes
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Donnez un nom à une exoplanète !
L’Union astronomique internationale (UAI), seule habilitée dans le processus de nomination des planètes, a lancé un appel aux noms. Chacun peut se prononcer jusqu’au 31 octobre 2015 sur une liste de 305 planètes extrasolaires dans 20 systèmes planétaires. « Ce nom ne devra pas dépasser 16 caractères, il devra être prononçable dans plusieurs langues, il ne pourra pas correspondre à un animal familier ou faire allusion à une personnalité vivante, à des questions politiques ou religieuses », indique-t-on sur le site de l’UAI.
- 1. L'OHP est aujourd'hui un département au sein de l'Institut Pythéas, un Observatoire des Sciences de l'Univers du CNRS et de l'Université d'Aix-Marseille.
- 2. Unité CNRS/Aix-Marseille Univ.
- 3. Laboratoire univers et théories (CNRS/Observatoire de Paris/Univ. Paris Diderot).
- 4. Laboratoire de météorologie dynamique (CNRS/ENS/École polytechnique/UPMC).
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Anne-Sophie Boutaud est journaliste à CNRS Le journal.
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