DE L'ASTRONOMIE : planètes extrasolaires

« Il est donc d'innombrables soleils et un nombre infini de terres tournant autour de ces soleils, à l'instar des sept "terres" [la Terre, la Lune, les cinq planètes alors connues : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne] que nous voyons tourner autour du Soleil qui nous est proche. » (Giordano Bruno, L'Infini, l'Univers et les Mondes, 1584).

Giordano Bruno était un moine dominicain qui, à la suite des travaux de Copernic, s’était persuadé que l’Univers était infini et peuplé d’une multitude de soleils comme le nôtre, des étoiles entourées de planètes recelant peut-être la Vie. Déclaré hérétique par l’Inquisition, il fut, au terme d’un procès de huit ans, condamné à être brûlé vif en place publique le 17 février 1600. Il n’avait qu’un seul tort : celui d’avoir eu raison trop tôt car, depuis la première découverte de 1995, on sait aujourd’hui que des planètes extérieures au système solaire, il y en a beaucoup : peut-être plus que d’étoiles qui se comptent pourtant en milliards de milliards… Le problème est qu’il est effectivement difficile, même pour l’astronomie moderne, de les observer. On en déjà répertorié plus de mille sept cent à ce jour (mi-2014) et autant restent à confirmer.

 Méthodes d’observation

Observer une étoile plus ou moins lointaine est facile avec les télescopes modernes même s’il ne s’agit que de celles de notre propre galaxie. Identifier le minuscule point sombre susceptible de se projeter sur la sphère aveuglante d’un soleil même peu intense est une autre paire de manches : c’est là tout le défi que se sont fixés certains astronomes recherchant systématiquement la présence indirecte de ces minuscules objets (par rapport à leurs étoiles) et cette quête a fini par payer. Comment s’y sont-ils pris ?

Identifier une planète extrasolaire est, on vient de le dire, extrêmement ardu car la distance qui nous sépare de l’étoile observée est infiniment plus grande que celle qui existe entre l’éventuelle planète et son soleil. Le pouvoir séparateur de nos instruments ne permet guère de telles observations (il faut se souvenir qu’une planète n’émet pas de lumière…). Il est donc nécessaire d’avoir recours à des méthodes indirectes qui sont principalement au nombre de quatre.

*  l’analyse de la vitesse radiale

Un système de planètes tourne autour du centre de gravité de son étoile et induit ainsi des variations infinitésimales de la vitesse radiale de l’astre par rapport à celle qui serait calculée si celui-ci était solitaire. Cette méthode – souvent difficile d’accès – sera d’autant plus performante que la vitesse radiale est élevée (planète proche de l’étoile) et la planète massive.

   *  les méthodes de transit

. soit indirecte ou transit primaire : elle est basée sur la variation de luminosité de l’étoile lorsque la planète passe devant elle. Outre le fait que cette variation est infime, encore faut-il que l’étoile soit vue par la tranche ce qui est peu souvent le cas : cette méthode, facile pour un télescope, n’a en définitive que peu identifié d’exoplanètes.

. soit semi-directe : lorsque la planète passe derrière son étoile, on peut théoriquement détecter la lumière qui provient de sa face alors éclairée qui se superpose à celle de l’étoile elle-même (on parle alors de transit secondaire)  et c’est avec le télescope spatial Hubble que cette technique a, pour la première fois, donné des résultats.

   *  l’observation directe

Comme l’astrométrie, méthode encore balbutiante, qui observe les éventuelles perturbations de la trajectoire d’une étoile sous l’effet de son système planétaire, l’observation directe par optique adaptative (corrections en temps réel) et coronographie (masques récréant des sortes d’éclipses artificielles) reste du domaine du futur (bien qu’elle ait eu déjà quelques succès) car elle exige encore bien des efforts pour le traitement des images.

   *  les lentilles gravitationnelles

Une lentille gravitationnelle (ou mirage gravitationnel) est un phénomène induit par la présence entre un observateur et la source observée d’un objet massif qui dévie les rayons lumineux : nous l’avons déjà évoqué (voir le sujet : relativité générale) car il s’agit là de l’illustration parfaite de la théorie d’Einstein sur la courbure de l’espace. Si une lentille (c'est-à-dire une étoile) passe devant une autre, la courbe de lumière de l’étoile en arrière-plan croît et décroît selon les lois très précises de l’optique gravitationnelle. Supposons alors qu’une seconde « lentille » (la planète extrasolaire) se trouve dans le même champ, la courbe change d’apparence : une minuscule anomalie lumineuse va apparaître en surimpression. L’étude précise du temps de transit devant l’étoile et celle de la courbe lumineuse en résultant va permettre de reconstituer les caractéristiques de cette planète : sa distance à son soleil,  sa masse et la durée de son orbite, autant d’éléments qui permettront de dire si l’on a affaire à une planète géante gazeuse ou à une planète tellurique (comme la Terre), cette dernière éventualité étant, on l’imagine, bien plus passionnante.

Toutes ces méthodes d’observation, à des degrés divers et parfois combinées, ont permis de cataloguer avec certitude plusieurs milliers de planètes extrasolaires (5307 au 1er février 2023), le plus souvent massives et gazeuses (comme Jupiter) mais pas toujours comme on va le voir.

Un peu d’histoire…

C’est le 6 octobre (jour de la Saint Bruno !!!) 1995 que des astronomes de l’observatoire de Haute-Provence ont pour la première fois annoncé la découverte d’une planète en dehors du système solaire : elle tourne autour d’une étoile située dans la constellation de Pégase (Pegasi 51), à 48 années-lumière de nous, et a été mise en évidence par la méthode des vitesses radiales. Cette planète, gazeuse, de la moitié de la taille de notre Jupiter, présente la particularité d’être située très près de son étoile dont elle fait le tour en quatre jours (cette particularité poussa les astronomes à revoir leur conception de la formation des planètes gazeuses mais il s’agit là d’un autre problème). On la nomma Pegasi b selon un nouvel usage attribuant les lettres de l’alphabet en minuscule à ces planètes. Ce fut, évidemment, une « bombe » dans le petit univers de l’astronomie mais pas seulement car je me souviens très bien que les médias du monde entier en parlèrent abondamment.

D’autres découvertes suivirent très vite : celle de nombreuses géantes gazeuses, puis d’un « système » de plusieurs planètes comme celui d’Upsilon d’Andromède, située à 44 années-lumière (en fait un système binaire associant une naine jaune de type solaire et une petite naine rouge).

La première planète tellurique (c’est-à dire comparable à la Terre) est repérée en janvier 2006 : il s’agit de OGLE-2005-BLG-390L b, dans la constellation du Scorpion. Située à près de 21 000 années-lumière, elle fait environ 6 masses terrestres et se trouve à une distance de son étoile qui la situerait dans notre système entre Mars et Jupiter. Cette planète tourne autour de son soleil en 10 ans (car son étoile est très certainement une naine rouge moins massive que le Soleil) et elle est probablement composée de roches et de glaces. On se rapproche de plus en plus de l’aspect de notre planète…

… et un peu d’imagination

Nos observations n’en sont encore qu’au début mais on peut déjà imaginer ce que pourraient être quelques unes de ces planètes lointaines dont on ne savait rien il y a encore 15 ans. Voici quelques exemples.

*  Pollux b (HD 62509) : une planète proche de sa mort

Située à 34 années-lumière d’ici, dans la constellation des Gémeaux, l’étoile de cette planète, Pollux, est mourante : il s’agit d’une géante rouge qui, dans un ou deux millions d’années, va étendre son enveloppe gazeuse par bouffées successives jusqu’à vaporiser son système planétaire. Pollux b, planète géante gazeuse d’une taille trois fois supérieure à Jupiter, subira le sort qui est réservé à notre propre globe (voir : mort du système solaire) dans beaucoup plus longtemps…

*  HD 188753 A b, la planète aux trois soleils

Située dans la constellation du Cygne, à environ 150 années-lumière de nous, cette géante gazeuse tourne très près de son étoile, une naine jaune analogue au Soleil. Mais, fait plus surprenant, deux autres étoiles orangées liées en couple tournent également autour de l’étoile centrale. Un observateur présent sur HD 188753 A b verrait donc trois soleils se lever à l’horizon ! Son découvreur l’a baptisée Tatooine, faisant ainsi allusion à la planète (fictive) qui a vu l’enfance de Luke Skywalker dans la saga de la Guerre des Etoiles.

*  Gliese 876 d : une planète en incandescence

Située trop près de son étoile, dans la constellation du Verseau, cette planète, une des plus petites découvertes à ce jour, subit très vraisemblablement une température infernale (1500 à 2000°). Elle tourne autour de son soleil en 2 jours seulement ! A la chaleur doivent certainement s’ajouter des vents d’une puissance extraordinaire : on n’a pas vraiment envie d’y aller…

*  OGLE-05-390 L b : une autre Terre

Il s’agit d’une planète de type terrestre (nous l’avons déjà évoquée) qui tourne à 315 millions de km d’une naine rouge située dans la constellation du Scorpion. Rapportée à notre propre système, cela la placerait entre Mars et Jupiter et comme il s’agit d’une planète tellurique faite de roches et de glaces, peut-être nimbée d’une fragile atmosphère, on pourrait penser qu’il s’agit là d’une autre Terre… Hélas, son étoile, on l’a dit, est une naine rouge qui ne diffuse que bien peu de chaleur. Du coup, OGLE-05-390 L b est un monde glacé dont la température se situe autour de – 200°.  On peut donc imaginer des montagnes et des vallées désolées, gelées, perpétuellement plongées dans une lumière crépusculaire…

*  HD 69830 b, c et d : les trois planètes d’un soleil moribond

On a pu mettre en évidence autour de cette étoile en fin de vie de la constellation de la Poupe un véritable système solaire : au moins trois planètes et une ceinture d’astéroïdes… Situées à 41 années-lumière de nous, deux de ces planètes sont de type terrestre quoique beaucoup plus grosses que notre globe. Elles possèdent chacune une atmosphère épaisse (toutefois probablement sans oxygène) mais, situées trop près de leur étoile, ces planètes rocheuses sont de véritables enfers carbonisés où la Vie n’a guère la chance de se développer.

*  PSR 1257+12 b, c et d : le système d’un soleil mort

Située à plus de 100 années-lumière de la Terre, l’étoile de ce système est une étoile à neutrons, c’est-à dire le cadavre d’une ancienne étoile géante explosée en supernova (voir le sujet : mort d’une étoile). Autour de ces restes stellaires tournent trois planètes, l’une très proche et de la taille de notre Lune, deux autres plus massives mais aussi plus éloignées. Ces objets ont-ils survécu à l’explosion de la supernova ou ont-ils, par un processus encore ignoré, été créés secondairement ? Impossible de l’affirmer avec certitude. Ce qui est sûr, c’est que le ciel de ces planètes doit être étrange et effrayant puisque l’étoile à neutrons centrale ne mesure que 10 km de diamètre, ses planètes étant donc bien plus grosses qu’elle. L’étoile est hyperdense et si petite : peut-on seulement l’apercevoir distinctement depuis une des deux planètes lointaines ou se confond-elle avec les autres astres de cette nuit éternelle ?

Au fur et à mesure que progresseront nos observations, nous pourrons ainsi découvrir des mondes étranges et extraordinaires. Et, sans doute - mais il faut du temps  - de nouvelles Terres….

Des milliards de milliards de planètes

L'Univers recèle tant d'étoiles (pour mémoire, une galaxie moyenne contient de 150 à 200 milliards d’étoiles et il existe des milliards de galaxies) qu’on doit y trouver un nombre inimaginable de planètes orbitant autour d’elles. La plupart sont très certainement impropres à la Vie (du moins telle que nous la connaissons) mais certainement pas toutes… Voilà qui ravive le « débat statistique de la Vie » d’Isaac Asimov auquel je faisais allusion dans le sujet : vie extra-terrestre, deuxième partie.

Ces planètes lointaines, ces étranges merveilles, sont actuellement (et pour longtemps) hors de notre portée mais savoir qu’elles existent nous permet de nous resituer dans ce monde gigantesque dont certains pensent qu’il nous appartient parce qu’il aurait été créé pour nous. Encore un fois, savoir être modeste relève de la seule et pure raison.

Images

 1. galaxie du sombrero M 104 (sources : www.chez-gerard.org)

2. Giordano Bruno (sources : 2.bp.blogspot.com)

3. méthode de transit indirecte ou primaire (sources : r.academic.ru)

4. explication d'une lentille gravitationnelle (sources : http://www.futura-sciences.com/)

5. "Jupiter" chaude (sources : www.innovationlejournal.com)

6. depuis le satellite d'une géante gazeuse (sources : http://my-blackberry.net)

7. planète d'un système multiple (sources : http://www.futura-sciences.com)

8. une planète gelée, ici Titan (sources : http://www.blog.francis-leguen.com/)

9. la Terre (sources : http://www-obs.univ-lyon1.fr)

       (Pour lire les légendes des illustrations, passer le pointeur de la souris dessus)

Mots-clés : Giordano Bruno - vitesse radiale - transit primaire - transit secondaire - astrométrie - optique adaptative - coronographie - lentille gravitationnelle - planète gazeuse - planète tellurique - géante rouge - étoiles multiples - étoile à neutrons - supernova

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

 Sujets apparentés sur le blog :

1. la Terre, centre du Monde

 2. origine du système solaire

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mise à jour : 5 sepembre 2023