DE L'ASTRONOMIE : nuits extra-terrestres

     Il ne se passe pas un jour sans que les médias ne se fassent l’écho de la découverte d’une nouvelle planète extrasolaire si bien qu’on les compte à présent par milliers. Planètes géantes et gazeuses brûlantes d’être trop proches de leurs étoiles, planètes telluriques - c’est-à-dire rocheuses comme la Terre - parfois situées dans ce qu’on appelle la « zone d’habitabilité » de leur système stellaire, planètes tournant autour d’un système binaire à deux étoiles, voire même trois, planètes satellites d’obscures naines rouges ou, au contraire, de brillantes géantes bleues, bien d’autres encore, les scénarios sont multiples et, chaque fois, on se demande ce que pourraient être les cieux, notamment nocturnes, de ces endroits lointains… À défaut de les visiter un jour - ce qui semble bien improbable - on peut chercher à comprendre, voire imaginer ces étranges écosystèmes…

la Terre

     Mais évoquons d’abord la planète qui nous sert de référence. Pour la Terre, la nuit et le jour, on l’a compris depuis longtemps, sont la résultante de sa rotation qui présente alternativement la moitié de son globe au Soleil. De ce fait, le jour, lorsqu’il n’y a pas de nuages, l’observateur terrestre peut contempler un ciel d’une profonde couleur bleue produite par l’action de l’atmosphère sur la lumière solaire (sur les planètes sans atmosphère, la couleur du ciel est uniformément noire et les étoiles ne scintillent jamais). Le mouvement de rotation de notre planète entraîne également la production des vents, la répartition de la chaleur et de l’énergie sur la surface du globe, les courants marins, etc. Une Terre qui ne tournerait pas sur elle-même, serait une Terre morte…

     Depuis qu’elle est apparue il y a plusieurs centaines de millions d’années, la Vie, sous quelque forme qu’elle soit, a su s’adapter à ces variations cycliques au point que celles-ci ont été génétiquement intégrées par la plupart des espèces animales et végétales. Il existe, par exemple, une variété américaine de crabes qui change de couleur selon l’heure de la journée et le mouvement des marées qui les recouvre d’eau ou, au contraire, les abandonne sur le sable aux éventuels prédateurs : eh bien, on a pu constater que, expatriés à des centaines de km du bord de mer, dans des aquariums en plein désert, ces crabes continuent à changer de couleur en fonction des marées. Plus encore, ces variations de pigmentation suivent les variations saisonnières de l’océan.

     L’adaptation des animaux à l’alternance nuit-jour nous donne aussi une information insolite : le jour terrestre n’a

pas toujours été de 24 heures et la Terre ralentit. Imperceptiblement, mais elle ralentit. Il y a 500 millions d’années, le jour ne durait sur Terre que 21 heures (c’est l’étude des cercles de croissance des coraux fossiles qui nous l’apprend) et comme la révolution de notre planète autour du Soleil n’a, elle, pas changé, en ce temps-là l’année durait 417 jours… La Terre ralentit mais elle n’aura toutefois pas le temps de s’arrêter complètement car, dans environ 4,5 milliards d’années, le Soleil, en fin de vie et devenu une géante rouge, la détruira définitivement.

     Le Soleil se couche à l’ouest en projetant ses derniers feux et, quelques minutes plus tard, c’est la nuit noire. Noire, vraiment ? L’obscurité n’est en réalité jamais totale comme, d’ailleurs, à peu près partout dans l’Univers. Bien entendu, il y a notre satellite  qui reflète et renvoie la lumière du Soleil mais, même en son absence, il existe de nombreuses sources naturelles de lumière. On pense tout d’abord aux étoiles dont seulement quelques milliers sont accessibles à l’œil humain (à ce propos, comment se fait-il que nos nuits ne soient pas totalement envahies par les rayons des milliards de milliards d’étoiles qui peuplent l’Univers : l’explication de cette énigme dite « paradoxe d’Olbers » est donnée en fin d’article). Ensuite, il existe ce que l’on appelle la lumière zodiacale, une bande de lumière à la limite du perceptible pour nos yeux, même loin des lumières parasites, et qui correspond aux restes de l’ancien disque protosolaire vu par la tranche : ces minuscules fragments survivants renvoient la lumière solaire sur la face obscure de notre planète.  Évidemment, il s’agit d’une luminosité sourde, peu intense dans laquelle les instruments (et les conditions favorables) permettent même d’apercevoir l’image reflétée de notre étoile  ! Enfin, troisième source de lumière, la luminescence de l’air, elle aussi à la limite du perceptible ; cette luminosité provient de plusieurs mécanismes : la chimiluminescence (recomposition de certaines molécules cassées pendant la journée par le Soleil), l’excitation atmosphérique par les rayons cosmiques et, enfin, la recombinaison d’atomes ionisés par ce même Soleil le jour, un peu à la façon des aurores boréales.

     Cette nuit terrestre que l’Homme connaît depuis toujours et dont il aurait tendance à en faire le modèle universel n’est, bien sûr, qu’un cas particulier. Chaque planète, en fonction de sa taille, de sa composition et de sa place dans le cosmos possède une nuit bien à elle et, parfois, franchement étrange.

le système solaire

     Dans notre système, seule Mars pourrait à la rigueur nous rappeler nos nuits d’autant que l’alternance avec le jour y est voisine de la nôtre. Dotée d’une atmosphère ténue à base d’oxyde de carbone, un coucher de soleil sur Mars se fait dans les teintes rouge orangé mais avec, entouré de bleu et pointant sur l’horizon de l’ouest, un globe solaire d’une taille réduite de moitié par rapport à la Terre ce qui est bien normal compte-tenu de l’éloignement. Le robot de la NASA Curiosity qui arpente courageusement cet environnement hostile nous a fait cadeau de superbes clichés en la matière. La nuit, très froide, expose un ciel clouté d’or, fantastique point d’observation pour les scientifiques. Ce n’est pas par hasard que la planète suscite la majorité des projets d’exploration spatiale à venir…

     En revanche, il n’en va pas de même pour Vénus, la sœur jumelle de la Terre, pourtant de taille et de masse comparables. D’abord, cette planète est la seule du système solaire animée d’une rotation rétrograde, ce qui veut dire que là-bas le Soleil se couche à l’est. Pourquoi ? La meilleure hypothèse est celle d’un choc frontal il y a très longtemps avec un astre de la taille de la Lune, voire de Mars, qui l’aurait fait pivoter sur elle-même et tourner à l’envers de toutes les autres planètes (un sens de rotation hérité du nuage protosolaire). Mais , de toute façon, de la surface de Vénus, on ne voit jamais le Soleil… ni, bien entendu, les étoiles. En effet, l’atmosphère de cet astre est très épaisse (90 km) et essentiellement composée de dioxyde de carbone et de dioxyde de soufre. De ce fait, les rayons du Soleil, transformés en infrarouges par le sol, sont piégés par l’atmosphère et contribuent à élever la température globale. Et cette température est brûlante sur Vénus puisqu’elle atteint les 460°. Du coup, le sol est très chaud et rayonne comme un métal chauffé au rouge : un observateur y verrait en permanence une lumière rouge sombre, à peine éclaircie le jour par un Soleil invisible, et sous une atmosphère 92 fois plus dense que celle de notre planète. Un endroit guère sympathique.

     D’autres planètes telluriques du système solaire présentent des nuits extraordinaires : les satellites des géantes gazeuses. On imagine assez difficilement quel peut-être le ciel de Ganymède, un des nombreux satellites de Jupiter : on entrevoit un ciel étrange avec un soleil lointain mais l’énorme masse de la géante omniprésente, renvoyant une luminosité plus ou moins forte. Ganymède est le seul satellite du système solaire qui possède un champ magnétique : le télescope spatial Hubble a enregistré de gigantesques aurores boréales sur la planète ce qui, au demeurant, traduit l’existence d’une grande quantité d’eau salée, certainement souterraine (les scientifiques parlent d’un océan de 100 km de profondeur, enfoui sous 150 km de glace et de roches).

     Titan, lui, tourne autour de Saturne, la géante aux anneaux. C’est un satellite, certes, mais presque aussi grand que la Terre (son rayon fait les 4/5 de celui de notre planète). Il possède une atmosphère épaisse riche en azote, rappelant celle de la Terre primitive.

Titan présente toujours la même face à Saturne et il tourne autour d’elle en 16 jours ce qui veut dire qu’il est éclairé par le Soleil durant huit jours. Mais c’est un Soleil pâle car lointain et le jour de Titan doit être blafard. Par contre, la nuit y est certainement plus claire que sur Terre en raison des anneaux de sa planète-mère qui réfléchissent les rayons du Soleil en une sorte de lune bien plus puissante. Ces anneaux ne sont pas alignés avec le plan solaire et peuvent donc en certains cas continuer à recevoir de la lumière dans l’ombre de la planète géante. L’atmosphère étant épaisse, parfois on doit certainement discerner à travers elle comme des bandes lumineuses puis, mais rarement, par un trou dans les nuages, l’apparition quasi féérique d’un morceau d’anneau en une sorte d’autoroute de lumière.

     Le Soleil est une naine jaune de type spectral G2, de couleur blanche tirant légèrement sur le vert (G2 veut dire qu’il est un peu plus chaud que la moyenne des naines jaunes). Il existe de nombreux autres types d’étoiles, de (presque) toutes les couleurs et de toutes tailles : on imagine aisément les vues exotiques que l’on peut avoir à partir de leurs éventuelles planètes…

planètes extrasolaires et nuits extra-terrestres

     Éventuelles planètes ? Il est vrai que jusqu’à l’extrême fin du XXème siècle, si pour la majorité des spécialistes, il devait exister des planètes tournant autour d’étoiles autres que notre Soleil, la preuve n’en avait pas été apportée et on pouvait encore se poser la question. Aujourd’hui ce n’est plus le cas. Des milliers d’exoplanètes (3414 au 13 mai 2016) ont été découvertes par différentes méthodes (voir le sujet dédié) et, des exoplanètes il y en a beaucoup : les étoiles « solitaires » sont probablement assez rares et, la plupart du temps, ce sont des cortèges de planètes qui gravitent autour de leur astre central. Il y a donc certainement plus de planètes que d’étoiles et le nombre de ces dernières est déjà estimé entre 150 et 200 milliards rien que pour la Voie lactée… et il existe des milliards de galaxies comme elle  !

     Parmi les planètes identifiées à ce jour, certaines ne sont que des points dont la véritable nature nous est totalement inconnue alors que pour d’autres, plus proches ou mieux observables, nous en savons un peu plus. Essayons d’imaginer certaines d’entre elles.

. Isis (HD 189733b) : elle est située à 63 années-lumière de la Terre, dans la direction de la constellation du Petit Renard. C’est une géante gazeuse, un peu plus grosse que Jupiter, gravitant autour d’une étoile naine orange composant d’un système binaire puisque possédant une compagne, une naine rouge encore moins chaude qu’elle. Isis est ce que les spécialistes appellent un « Jupiter chaud », c’est-à-dire une planète de la taille de Jupiter mais située si près de son étoile que la face qu’elle lui présente de façon permanente est brûlée par elle (elle tourne autour de son étoile en un peu plus de… 2 jours). Il y fait chaud, très chaud (plus de 1300°) mais Isis possède une particularité : c’est une planète bleue, le télescope spatial Hubble nous l’a confirmé. Bleu azur pour être précis. Toutefois, rien à voir avec la Terre qui doit sa couleur bleu pâle à ses océans. Isis est bleue en raison de la présence de particules de silicate en suspension dans son atmosphère. Signalons à propos de celle-ci qu’elle s’évapore progressivement à cause de sa proximité avec l’étoile : à terme, Isis sera réduite à son seul noyau rocheux tout comme une planète tellurique de type terrestre et pour la différencier on la classera en planète « chthonienne » (dans la mythologie grecque, les divinité chthoniennes étaient des divinités infernales, souterraines, comme Hadès).

     On imagine donc une nuit perpétuelle seulement éclairée par les étoiles lorsque la planète se trouve du côté opposé aux deux astres de la binaire mais une nuit à la teinte vaguement rouge lorsqu’elle passe entre les deux puisque la naine rouge apparaîtra seule dans le ciel sous la forme d’un globe rougeâtre un peu plus large que la Lune. Sur la partie qui fait face à l’étoile principale, et bien que la naine orange appartienne à la classe des étoiles peu chaudes, Isis est un enfer inondé de chaleur et de lumière avec un immense globe orangé omniprésent. L’atmosphère d’Isis est brumeuse avec des pluies de verre probablement fort violentes d’autant que les vents y avoisinent les 7000 km/h  ! La Vie, en tout cas une vie comme la nôtre, y semble très peu probable…

. OGLE-2005-BLG-390L b : il s’agit de la première planète tellurique découverte en 2005. Elle a été surnommée « Hoth » en référence à la planète de la saga Star Wars dans «  l’Empire contre-attaque » : comme elle, il s’agit d’une super-Terre de glaces, peut-être même une planète-océan gelée, ici probablement en orbite autour d’une naine rouge. Grosse comme 5 fois la Terre (ce n’est donc pas une gazeuse), elle est distante d’environ 22 000 années-lumière, dans la direction de la constellation du

Scorpion. Elle tourne autour de son étoile en à peu près 10 ans mais à une distance d’elle qui, dans notre propre système, la placerait entre Mars et Jupiter… donc dans la zone d’habitabilité… dans le système solaire. Mais son étoile est une naine rouge qui n’envoie que le millième de chaleur et de lumière qu’enverrait le Soleil ; sa température en surface est donc de  - 220°. La planète est vieille (10 milliards d’années) et elle ne diffuse plus aucune chaleur. On peut donc imaginer une surface gelée qui n’est qu’une immense banquise où la nuit est perpétuelle puisque l’étoile rouge l’éclaire à peine. En revanche, plus proche du centre galactique, il est possible que ses cieux soient parsemés de myriades d’étoiles…

. HD 188753Ab : cette exoplanète a été baptisée «Tatooine » ici aussi par référence à celle imaginée dans la saga « Star Wars » car, comme dans le film, elle se situe dans un système à trois étoiles, dans la constellation du Cygne, à environ 150 années-lumière de nous. En effet, son étoile principale est une naine jaune comme le Soleil mais, fait étrange, un couple d’étoiles orangées tournent aussi autour de l’étoile centrale : il doit être particulièrement déstabilisant de voir se lever 3 soleils dont 2 plus sombres que le premier. On imagine les jeux de lumière et, suivant les mouvements et les éclipses des uns et des autres, les différentes nuances de nuits bien spéciales…

. PSR 1257+12b,c et d : l’étoile nommée Lich, située à 980 années-lumière de la Terre, dans la constellation de la Vierge, est entourée de trois planètes (peut-être quatre) découvertes en 2005 mais c’est une étoile morte ! En effet, Lich est une étoile à neutrons (donc les restes d’une étoile géante) qui, de plus, tourne sur elle-même à la vitesse de 9650 tours par minute : il s’agit de ce que l’on appelle un pulsar. C’est d’ailleurs cette caractéristique qui a permis de mettre en évidence les planètes extrasolaires car la moindre perturbation autour d’un pulsar est facilement décelable. Les cieux de ces planètes doivent être étranges et peut-être même effrayants puisque leur soleil ne mesure que 10 km de diamètre et que ses émissions se font dans le domaine des ondes radio : sur les planètes, on ne peut donc pas le voir et on doit avoir l’impression d’être perdu au sein d’un Univers désolé.

. HD 69830 b, c et d : ce système stellaire, situé à 41 années-lumière du Soleil, dans la constellation de la Poupe, comprend une étoile naine orange, presque en fin de vie car âgée de 8 à 9 milliards d’années, entourée de trois planètes de la taille de notre planète Neptune ce qui, d’ailleurs, est la raison pour laquelle on a appelé ce trio le « trident de Neptune ». Bien que presque de la taille du Soleil, l’étoile orange est beaucoup plus vieille que lui et ne diffuse que un peu moins de la moitié de sa lumière. Des deux premières planètes, on suppose que, bien que telluriques, elles sont trop proches de leur étoile pour avoir de l’eau sous forme liquide à leur surface mais la troisième planète se trouve, elle, dans la zone d’habitabilité… Toutefois, sa masse est de 10 fois celle de la Terre et, s’il est plutôt probable qu’il s’agisse effectivement d’une planète rocheuse, elle est entourée d’une épaisse atmosphère… qui n’est probablement pas de l’oxygène… Encore des nuits bien noires en perspective  ! Il reste à préciser que, comme dans le système solaire, il existe dans ce système stellaire un anneau d’astéroïdes et de poussières qui entoure l’étoile mais un anneau bien plus épais (50 fois plus important). De ce fait, on peut se demander si des météorites ne viennent pas assez souvent s’écraser sur la planète, illuminant alors brièvement son ciel…

. Kepler-452-b : découverte dans la direction de la constellation du Cygne en juillet 2015 par le télescope spatial Kepler (d’où son appellation) et située à 1400 années-lumière de notre étoile, cette planète pourrait être une super-Terre…

En effet, la naine jaune centrale, similaire au Soleil avec un rayon de 10% supérieur, diffuse environ 20% de lumière en plus. L’étoile Kepler-452 est plus vieille que le Soleil puisque son âge est d’environ 6 milliards d’années. La planète qui nous intéresse ici est tellurique (les scientifiques en sont certains à 80%) et tourne autour de son étoile en 385 jours. Sa masse est cinq fois supérieure à celle de la Terre - donc susceptible d’abriter des phénomènes volcaniques, sources de chaleur locale - mais surtout, elle se situe dans la zone d’habitabilité du système stellaire. Cela, toutefois, ne suffit pas pour abriter la Vie car il faut également géologie et atmosphère favorables mais c’est un début. On peut néanmoins lui imaginer une atmosphère voisine de la nôtre (c’est ce qu’a fait la NASA lors de la présentation de sa découverte) et donc des nuits semblables aux nuits terriennes. La journée, en revanche, le climat doit être plutôt chaud… au point que certains scientifiques ont évoqué « l’évaporation de ses océans »… s’ils existent : un sort qui pourrait devenir celui de la Terre dans un ou deux milliards d’années…

Découvrir et observer de mieux en mieux des planètes extrasolaires…

     … c’est le futur proche de cette branche de l’astronomie. Avec l’amélioration constante de nos moyens d’observation - et l’apparition de nouveaux - il est certain que nous en saurons plus sur ces planètes lointaines, sur leur atmosphère, la présence ou non d’eau liquide, leur configuration géologique, etc. Par contre, il reste un problème pour le moment complètement insoluble : celui de savoir comment se rendre sur ces mondes lointains.

    En effet, lorsqu’on dit que l’Univers est immense et essentiellement composé de vide, le cerveau humain a du mal à en visualiser les conséquences et pourtant  ! La plus proche étoile de notre Soleil est Proxima du Centaure, située à « seulement » 4,22 années-lumière de nous. Elle fait partie d’un système à trois étoiles appelé alpha du Centaure comprenant, d’une part, une binaire associant une naine jaune un peu plus grosse et plus lumineuse que le Soleil et une naine orangée tournant l’une autour de l’autre en 80 ans environ et, d’autre part, Proxima, l’étoile la plus proche comme l’indique son nom, une naine rouge invisible à l’œil nu de la Terre et qui est indirectement associée au couple.

      La vitesse la plus rapide que pourrait atteindre un mobile de fabrication humaine est estimée par les spécialistes au tiers de la vitesse de la lumière et cela ne concerne que des objets de très petite taille : atteindre Proxima demanderait donc environ 12 à 13 ans avec une même durée pour un éventuel retour… pour un voyage probablement sans objet, Proxima étant peu propice à l’existence de planètes extrasolaires de type terrien. Quant à la récente découverte de la NASA, Kepler-452-b, il faudrait à des explorateurs venant de notre système solaire un peu plus de… 4 000 ans pour s’y rendre. On comprend donc que ces terres lointaines que nous venons d’évoquer sont pour l’instant hors de notre portée. Ce qui ne doit pas empêcher les scientifiques de perfectionner leurs instruments pour affiner leurs observations et faire progresser nos connaissances.

Nota : le paradoxe d’Olbers

      En 1823, l'astronome allemand Olbers posa une "colle" à ses contemporains : "Puisque, avança-t-il, le nombre des étoiles dans le ciel est infini, la nuit, leur lumière devrait nous parvenir de partout et il ne devrait pas y avoir d'espace noir mais uniquement de la luminosité dorée!"

     Formulée sous le nom de paradoxe d'Olbers ou de la nuit noire, cette étonnante remarque resta sans réponse jusqu'au XXème siècle... Bon, on sait aujourd'hui que le nombre des étoiles n'est pas vraiment infini mais quand même : rien que dans notre galaxie, la Voie lactée, il y a entre 200 et 400 milliards d'étoiles. Et que des galaxies dans l'Univers visible, il y en a des milliards, chacune renfermant autant de soleils que notre Voie lactée. Ça fait donc beaucoup de lumière ! Alors ?

     C'est grâce à la théorie de la relativité générale d'Einstein (1915) que l'on aura la réponse. Elle explique que l'Univers a un commencement (Big bang) et qu'il se dilate (expansion) : du coup, comme la vitesse de la lumière est finie (300 000 km/sec), celle des étoiles les plus lointaines n'a pas encore eu le temps de nous parvenir. Comme la puissance de leur lumière, de toute façon, décroit avec leur éloignement, nos nuits resteront donc plutôt noires.

     Il existe bien aussi un rayonnement de fond qui correspond au début de l'Univers (le rayonnement fossile ou fond diffus cosmologique) mais comme il s'éloigne de nous à grande vitesse (toujours l'expansion de l'Univers), il est victime de l'effet Doppler qui le rend invisible à nos yeux ! Heureusement, sinon, nos nuits seraient bien trop claires...

Sources :

1. Wikipedia France

2. Science et Vie.com

3. Encyclopaediae Britannica

4. voielactee.galaxie.free.fr

Images :

1. vue d'artiste d'une planète extrasolaire (sources : sciencesetavenir.fr)

2. la Terre jour et nuit (sources : fr.tubgit.com)

3. coucher de Soleil sur Mars (crédits : NASA)

4. vue d'artiste de la planète Titan (crédits : ledeblocnot.blogspot.com)    

5. vue d'artiste de la planète OGLE-2005 (sources : voielactee.galaxie.free.fr)  

6. vue d'artiste de la planète Kepler 452b (sources : 20minutes.fr)

7. vue d'artiste d'une planète aux trois soleils Gliese 667c (sources : citzenpost.fr)

Mots-clés : planète tellurique - géante gazeuse - lumière zodiacale - paradoxe d'Olbers - robot Curiosity - nuage protosolaire - champ magnétique - planètes extrasolaires - planète chthonienne - étoile à neutrons -

(les mots en gris renvoient à des sites d'information complémentaires)

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mise à jour : 19 mars 2023