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Exoplanètes : de nouveaux mondes à découvrir
Détecter la vie sur un autre astre que la Terre est un rêve que beaucoup partagent. La recherche d’exoplanètes bat donc son plein. Apprenez-en plus sur les méthodes de détection des planètes extrasolaires, ce que l’on sait déjà de certaines et les prochaines missions d’observation.
Qu’est-ce qu’une exoplanète ?
Une exoplanète, aussi appelée planète extrasolaire, est une planète qui se trouve hors du Système solaire et gravite autour d’une étoile autre que le Soleil. Au 1er juillet 2021, 4 777 objets de ce type ont été recensés dans 3 534 systèmes planétaires. Des milliers d’autres sont en attente de confirmation et au regard des découvertes déjà effectuées, notre galaxie contiendrait à elle seule au moins 100 milliards de ces planètes.
C’est au XVIe siècle que les astronomes évoquent pour la première fois l’existence des planètes extrasolaires et les travaux scientifiques sur le sujet démarrent au XIXe siècle. Les premières exoplanètes sont découvertes par l’astronome polonais Aleksander Wolszczan en 1990, à l’aide du radiotélescope d’Arecibo situé sur l’île de Porto Rico (Grandes Antilles). Il utilise pour cela une méthode appelée chronométrage des pulsars (voir plus loin). Au nombre de quatre, les planètes extrasolaires gravitent autour du pulsar Liche, dans la constellation de la Vierge.
Puis en 1995, Michel Mayor et Didier Queloz annoncent la découverte d’une exoplanète en orbite autour d’une étoile de type solaire. Une première ! Nommée 51 Pegasi b, elle orbite autour de l’étoile 51 Pegasi à environ 40 années-lumière de la Terre. Cette trouvaille résulte d’observations réalisées à l’observatoire de Haute-Provence grâce à la méthode appelée « méthode des vitesses radiales » (voir plus loin).
Comment détecter une planète extrasolaire ?
Les exoplanètes sont difficiles à détecter car très lointaines et peu lumineuses comparées aux étoiles autour desquelles elles gravitent, souvent à de faibles distances. Les premières découvertes ont donc été réalisées de manière indirecte, en observant les perturbations exercées par les planètes extrasolaires sur leur étoile. Ce n’est qu’en 2005 que des astronomes ont enfin discerné la lumière émise directement par une exoplanète.
Méthode des vitesses radiales
Plus des deux tiers des planètes extrasolaires recensées à ce jour ont été découvertes grâce à la méthode des vitesses radiales, aussi appelée spectroscopie Doppler. La vitesse radiale est la vitesse d’un objet mesurée dans la direction de la ligne de visée, vers ou depuis le point d’observation, dans notre cas la Terre.
Lorsqu’une exoplanète orbite autour d’une étoile, elle perturbe le mouvement de cette étoile. La spectroscopie Doppler consiste à détecter ce mouvement en observant la lumière qui nous provient de l’étoile. La lumière est décalée vers le bleu, autrement dit vers les faibles longueurs d’onde (voir les rappels sur la lumière et les ondes électromagnétiques à la fin du dossier Les grands observatoires terrestres), lorsque l’étoile se rapproche de nous. Vers le rouge quand elle s’éloigne. C’est l’étude de ce phénomène appelé « effet Doppler » qui a permis la découverte de l’exoplanète 51 Pegasi b en 1995.
L’astrométrie est une autre méthode de détection indirecte qui se base sur la mesure de la vitesse tangentielle de l’étoile, et non pas le long de l’axe de visée comme dans la méthode des vitesses radiales. Dans ce cas, c’est le mouvement apparent de l’étoile sur la sphère céleste, causé par l’influence gravitationnelle d’une planète en orbite, qui est mesuré.
Méthode des transits planétaires
Lorsqu’une exoplanète passe devant son étoile (entre son étoile et l’observateur sur Terre) elle empêche une partie de la lumière émise par l’étoile d’arriver jusqu’à nous. Comme la planète extrasolaire est en orbite, elle répète ces passages, appelés transits, plusieurs fois et de manière régulière. La méthode des transits consiste à étudier la luminosité d’une étoile, et à repérer ces baisses d’intensité périodiques, signes de la présence d’une exoplanète.
De plus, la variation de la luminosité d’une étoile est plus facilement repérable que celle de sa vitesse radiale. Cette méthode requiert donc des télescopes de moins grande dimension. Toutefois, on estime que seulement environ 5 % des étoiles avec une exoplanète peuvent être repérées par la méthode des transits, car elle ne fonctionne que si le système stellaire est observé « par la tranche ».
À noter qu’il existe une méthode des transits secondaires qui s’appuie sur le passage de l’exoplanète derrière son étoile, et non pas devant.
La première détection d’une planète extrasolaire par transit a été réalisée autour de l’étoile HD 209458. Il s’agissait de HD 209458b, ou Osiris, également la première exoplanète géante gazeuse de l’histoire, dont la découverte a été annoncée en 1999.
Parmi les autres méthodes de détection indirectes, on citera aussi le chronométrage des pulsars ou l’utilisation de microlentilles gravitationnelles.
Les pulsars sont des étoiles à neutrons qui tournent très rapidement sur elles-mêmes en projetant des flashs de manière périodique, très précisément à la fréquence de rotation de l’étoile. La moindre perturbation gravitationnelle engendrée par un compagnon planétaire, même de très faible masse, peut modifier cette fréquence, d’ordinaire d’une précision de l’ordre de la milliseconde. Ceci est un indicateur de la présence d’une exoplanète.
La méthode des microlentilles gravitationnelles utilise elle les prédictions de la théorie de la relativité générale, que nous ne décrirons pas plus en détails ici.
Détection directe
Pour être détectée en imagerie directe, une planète doit être suffisamment lumineuse et éloignée de son étoile. C’est en 2004 que l’équipe de l’astronome français Gaël Chauvin observe pour la première fois la lumière directement émise par une planète extrasolaire. Perçue par l’instrument Naco du Very Large Telescope au Chili, l’astre est une jeune géante gazeuse qui orbite autour de la naine brune 2MASSWJ.
Des exoplanètes spectaculaires
On peut se demander pourquoi un tel engouement autour de la recherche des planètes extrasolaires. La réponse est simple et peu originale : dans l’espoir de trouver un astre similaire à la Terre, ou même différent, qui abrite une forme de vie.
Des chercheurs de l’université d’Harvard ont présenté en août 2018 leurs travaux sur un modèle de classification des planètes. D’après eux, environ 35 % des planètes extrasolaires connues à ce jour, celles d’une taille comprise entre deux et quatre Terre, pourraient être des mondes… aquatiques !
Leur température de surface se situerait entre 200 et 500° C et leur atmosphère serait dominée par de la vapeur d’eau surplombant une couche d’eau liquide – élément indispensable à l’apparition de la vie telle que nous la connaissons.
Grâce aux données provenant du télescope Kepler traqueur de planètes, et du satellite Gaia, les astrophysiciens américains ont avancé que plusieurs exoplanètes pourraient être constituées jusqu’à 50 % d’eau, quand la Terre n’en comporte que 0,02 %. La mise en service du James Space Webb Telescope (JSWT) en 2022 permettra d’étudier directement les atmosphères de ces planètes extrasolaires et peut-être de valider ces hypothèses.
De taille comparable à celle de la Terre, Kepler-186 f est la première planète rocheuse a avoir été découverte en zone d’habitabilité, en 2014. Elle se trouve en effet à une distance telle de son étoile que la quantité d’énergie qu’elle reçoit permet à l’eau d’exister sous forme liquide.
Si la planète était plus proche de son étoile (plus proche que Vénus dans cas du Système solaire), l’eau se vaporiserait, et si elle était trop éloignée (plus loin que Mars dans le cas du Système solaire), l’eau gèlerait.
Pour que la vie puisse apparaître, il faut bien sûr remplir d’autres critères : une taille suffisante pour retenir une atmosphère, un champ magnétique pour la protection contre le vent stellaire… Des cases difficiles à cocher. Toutefois, une exoplanète est découverte en moyenne… chaque jour ! Avec de telles statistiques, il est donc permis de garder espoir.
Après la mission franco-européenne CoRoT lancée fin 2006, les américaines Kepler et TESS mises en orbite en 2009 et 2018, ou encore CHEOPS lancée en 2019 par l’Esa et la Suisse, trois nouveaux projets consacrés à l’étude des exoplanètes sont aujourd’hui en cours de développement. D’abord, la mission Plato de l’agence spatiale européenne (Esa) et dont le lancement est prévu en 2024, comportera un seul instrument composé de pas moins de 34 petits télescopes. Pendant une durée minimale de six ans, ces télescopes auront pour objectif, depuis le point de Lagrange L2, de détecter des planètes habitables, beaucoup plus proches de la Terre que celles précédemment découvertes par Kepler.
De son côté, la Nasa prévoit d’envoyer en 2025 le Nancy Grace Roman Space Telescope. Sa plus haute priorité sera d’étudier l’énergie noire. Mais il devra également effectuer un recensement statistique – masse et distance à leur étoile – des exoplanètes situées dans le bulbe galactique.
Puis, le projet le plus récemment sélectionné par l’Esa se nomme Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey (ARIEL). Le télescope devrait, après son lancement prévu en 2029, observer en lumière visible et dans l’infrarouge l’atmosphère de 1 000 exoplanètes, qui gravitent autour d’étoiles relativement proches de notre Soleil. Le but sera de déterminer la composition chimique et les conditions physiques qui règnent à la surface de ces planètes, dont une majorité n’a pas d’équivalent dans notre Système solaire. Elles sont de types Jupiter chaud, super-Terre ou mini-Neptune, avec des masses comprises entre deux et dix masses terrestres.
Enfin, on mentionnera qu’en 2017, un système stellaire a fait beaucoup parler de lui : TRAPPIST-1. Pourquoi ? Il a fasciné par ses sept planètes, toutes rocheuses, de tailles comparables à celle de la Terre et surtout, localisées dans la zone habitable de leur étoile. Une première à l’époque. Proches les unes des autres, se trouver sur l’une d’elle doit offrir une vue spectaculaire sur les autres… De quoi rêver un peu, sur Terre, en attendant de trouver des indices probants de vie extraterrestre.
