Exoplanètes

Sommes nous seuls ?

« Sommes-nous seuls dans l'Univers ? ».
Cette question trotte dans la tête de nos astronomes depuis fort longtemps. Pour répondre à cette question il faut savoir s'il existe ou non d'autres planètes sur lesquelles pourraient se développer d'autres formes de vie d'où la quête aux exoplanètes. Les exoplanètes sont par définition situées hors de notre système solaire. Vu le grand nombre de galaxies existantes et le grand nombre d'étoiles qu'elles contiennent, la recherche de ces exoplanètes ou planètes extrasolaires, est sans fin. Détecter de telles planètes n'est cependant pas aisé. Elles sont très éloignées de nous, ne produisent pas de lumière et l'étoile autour de laquelle elles tournent, nous aveugle. Même le télescope spatial Hubble ne peut voir Pluton que sous la forme d'une petite tâche. Comment donc trouver une planète extra solaire, des millions de fois plus éloignée que Pluton si nous ne pouvons pas la voir. La Terre tourne autour du Soleil mais en réalité, si une étoile est accompagnée d'une seule planète, l'une et l'autre tournent autour du centre de masse du système gravitationnel qu'elles composent. Compte tenu de la masse nettement plus grande de l'étoile, ce centre est bien plus proche de cette dernière que de la planète. Même s'il se trouve à l'intérieur de l'étoile, il ne correspond pas exactement au centre de celle-ci.

L'étoile montre donc une certaine variation provoquée par la présence de la planète. Cette technique consiste à discerner ces variations dans le spectre de la lumière émise par l'étoile. Par effet Doppler, celle-ci apparait plus rouge si elle s'éloigne de l'observateur, plus bleue si elle s'en approche.

N. B. : Le télescope Hubble est un instrument optique américain et européen permettant d'observer la lumière dans les domaines visible, infrarouge et ultraviolet. Il est placé en orbite autour de la Terre à une altitude de 580 km évitant ainsi les perturbations dues à l'atmosphère terrestre. Il comprend un miroir primaire parabolique concave qui renvoie la lumière incidente sur un miroir secondaire hyperbolique convexe. Ces deux miroirs sont placés dans une configuration dite de Cassegrain. La lumière ainsi récoltée par des caméras ou des spectrographes est ensuite renvoyée pour être étudiée sur Terre.

Image : Liste des exoplanètes connues.

Image : nombre d'exoplanètes découvertes chaque année (fichier en date du 26 février 2014). Les exoterres sont des objets recouverts d'une croute, possédant un rayon compris entre 2,5 et 20 fois celui de la Terre et évoluant à l'intérieur de la zone d'habitabilité de l'étoile mère. Dans cette région, l'eau pourrait perdurer à la surface de la planète ce qui rendrait la planète potentiellement habitable.

Présence de planètes

En mesurant ces variations, on peut calculer le mouvement décrit par l'étoile et en déduire la présence et les caractéristiques des éventuelles planètes qui l'accompagnent. Dans notre système solaire nous observons une légère oscillation du Soleil sur un cycle de 12 ans, ce qui correspond au cycle de gravitation de Jupiter. Une autre technique dite de photométrie, consiste à observer les variations cycliques d'éclat de certaines étoiles. Le passage d'une planète entre la Terre et une étoile induit une modification dans la lumière qui nous parvient de cette étoile. On peut également se baser sur ce fait dans la recherche de planètes extrasolaires. Ces deux types d'observations vont pouvoir mettre en évidence la présence de planètes autour d'une étoile.
La liste des exoplanètes s'allonge tous les mois.

Image : Spectrographie : Étude des spectres à l'aide d'un spectrographe, appareil destiné à l'enregistrement photographique d'un spectre lumineux. La spectrométrie est l'analyse du spectre d'un rayonnement. Le terme rayonnement est à prendre au sens large, puisqu'il peut s'agir d'un rayonnement lumineux, de manière plus large d'un rayonnement électromagnétique, mais aussi d'une onde mécanique comme le son ou les ondes sismiques, ou encore des particules. Le déplacement des raies sombres dans le spectre de l'étoile est la signature du mouvement de la planète et de l'étoile autour de leur centre de gravité. Crédit : Observatoire de Paris / ASM Emmanuel Pécontal.

La chasse aux exoplanètes

La chasse aux exoplanètes consiste à repérer les oscillations des étoiles aux caractéristiques identiques au Soleil. Cette chasse se limite principalement aux géantes gazeuses qui tournent autour de leur étoile. De plus en plus de nouvelles étoiles sont découvertes avec des oscillations cycliques. Une autre caractéristique de la présence de planètes autour d'une étoile est la variation d'éclat de cette étoile. Quand une planète passe devant une étoile son éclat montre une petite variation. Cette variation peut révéler la taille et d'autres caractéristiques de la planète. Les télescopes à mesure d'éclat, dont la précision permet de détecter jusqu'à 1% de variation, peuvent confirmer la présence de planètes autour d'une étoile car à chaque passage de la planète devant l'étoile un assombrissement à lieu. Un cycle répété confirme un passage d'objet devant l'étoile. Des dizaines de planètes géantes ont été détectées ainsi. Le projet MEarth utilise huit petits télescopes, ayant tous un diamètre de 40 cm, installés au sommet du Mont Hopkins, en Arizona aux USA. MEarth recherche des étoiles présentant des variations de luminosité. L'objectif est de détecter une planète qui passe devant son étoile, on appelle cela le transit. Pendant ces mini-éclipses, la planète occulte une petite fraction de la lumière de l'étoile, la rendant ainsi moins lumineuse.

La mission Kepler de la NASA utilise également la méthode des transits pour rechercher des planètes de la taille de la Terre autour d'étoiles similaires au Soleil. Toutefois, dans de tels systèmes la baisse de l'intensité lumineuse de l'étoile est si faible qu'une très grande précision est nécessaire pour la détecter, de tels objets ne peuvent être découverts que depuis l'espace. Par contre, une super-Terre passant devant une petite naine rouge produira une diminution de l'intensité lumineuse proportionnellement plus grande et donc un signal plus fort, détectable depuis la Terre.

N. B. : Un transit (micro-éclipse périodique) se produit à chaque fois que la planète passe entre son étoile et l'observateur, à ce moment là, la planète occulte un peu de la lumière de l'étoile, produisant un assombrissement périodique détectable. Cette remarquable idée est utilisée pour détecter la planète et déterminer directement sa taille et son orbite. Le diamètre de Jupiter est 10 fois plus petit que celui du Soleil, Jupiter masque donc 1% de la luminosité du Soleil lorsqu'il passe devant pour un observateur lointain. La Terre elle, est 100 fois plus petite que le Soleil, elle ne masque donc que 1/10 000ème de sa luminosité soit 0.01% lorsqu'elle passe entre le Soleil et l'observateur.

Image : Photo de Mercure qui passe devant le Soleil.
Parmi les corps du système solaire de taille importante, seules la Lune, Mercure et Vénus peuvent passer devant le Soleil pour un observateur terrestre. Si, dans le cas de la Lune, le phénomène (éclipse de Soleil) est courant, il n'en est pas de même pour Mercure et Vénus dont le passage devant le Soleil est rare. Il est moins spectaculaire qu'une éclipse de Soleil car le diamètre apparent maximum de Mercure est de l'ordre de 1/200ème de celui du Soleil et celui de Vénus est de l'ordre de 1/30ème.

Une découverte inattendue...

Les scientifiques sont donc partis à la recherche d'étoiles dont l'oscillation s'étire sur une dizaine d'années, comme notre Soleil. L'étoile 51 Pégase qui se situe à 50 années lumière de nous, oscille avec un cycle étonnant de 4,2 jours.
Il y a donc une énorme planète qui tourne autour avec un cycle de 4,2 jours. La découverte de cette planète est un véritable coup de tonnerre pour les scientifiques du monde entier. De nouvelles étoiles sont découvertes les unes après les autres et avec elles de semblables planètes géantes, ce sont toutes des planètes à courtes périodes orbitales. Sur l'étoile HD209458, située non loin de Pégase, un assombrissement a lieu tous les 3,5 jours ce qui confirme la présence d'une géante gazeuse. Elle a un rayon, 1,6 fois plus grand que Jupiter et une masse de 60% de celle de Jupiter. Elle est située très près de son étoile. C'est une Jupiter chaude. D'autres planètes à l'orbite excentrique ont été découvertes depuis et leur système est très différent du notre. Ces observations montrent que d'énormes planètes peuvent tourner autour de leur étoile avec des cycles très courts, ce qui remet en question notre vision de la formation d'un système solaire à partir d'une nébuleuse de gaz et de matière.

La formation des planètes, à une distance si proche de de l'étoile (≈ 0,05 UA (symbol : ua ou au) Créée en 1958, c’est l'unité de distance utilisée pour mesurer les distances des objets du système solaire, cette distance est égale à la distance de la Terre au Soleil. La valeur de l'unité astronomique représente exactement 149 597 870 700 m, lors de son assemblée générale tenue à Pékin, du 20 au 31 août 2012, l'Union astronomique internationale (UAI) a adopté une nouvelle définition de l'unité astronomique, unité de longueur utilisée par les astronomes du monde entier pour exprimer les dimensions du Système solaire et de l’Univers. On retiendra environ 150 millions de kilomètres. Une année-lumière vaut approximativement 63 242 ua. Mercure : 0,38 ua, Vénus : 0,72 ua, Terre : 1,00 ua, Mars : 1,52 ua, Ceinture d’astéroïdes : 2 à 3,5 ua, Jupiter : 5,21 ua, Saturne : 9,54 ua, Uranus : 19,18 ua, Neptune : 30,11 ua, Ceinture de Kuiper : 30 à 55 ua, Nuage d’Oort : 50 000 ua.), impose que la température du disque protoplanétaire circumstellaire soit suffisamment faible pour permettre la condensation des matériaux rocheux, et une densité de surface suffisamment élevée.

Image : 51 Pegasi b, est une Jupiter chaude.
51 Pegasi b, est beaucoup plus proche (0,05 UA) de son étoile que Jupiter et donc sa température est plus élevée.
Sa période de révolution autour de 51 Pegasi, est de 4,23 jours et l'excentricité de son orbite est égale à 0.
image : Digitized Sky Survey

L'importance des géantes

La quantité de poussière et de gaz dans une nébuleuse proto solaire, détermine la taille et la quantité de planètes qui vont se constituer à partir de ce disque. Si la quantité de poussière et de gaz est très importante, une seconde puis une troisième géante se crée. Dans le temps, la force gravitationnelle de la troisième planète perturbe les autres. Si la quantité de poussière et de gaz est faible, il n'y a pas de géante gazeuse, seulement des planètes plus petites à orbite circulaire stable. Des simulations par ordinateur, de la formation d'un système solaire montre une caractéristique étonnante. Si l'on introduit une troisième géante dans le système solaire, le système devient instable et finit par perdre une des planètes géantes.

Plus grave encore cela perturbe aussi les planètes de type terrestre qui finissent par être absorbées par le soleil central. Cela montre que la masse de gaz et de matière de la nébuleuse a une importance vitale pour la suite de l'évolution. S'il y a moins de poussière et de gaz, certains chercheurs pensent que la vie ne peut perdurer car le bombardement des planètes est trop important. Jupiter a vraisemblablement protégé notre planète.
En se situant dans la partie externe de notre système, Jupiter a diminué considérablement le bombardement de la Terre par les nombreux objets venant du réservoir de comètes.

Ces objets qui changent d'orbite et qui se dirigent vers le centre, subissent l'attraction de Jupiter. Cette attraction est si grande que ces objets sont absorbés. Jupiter a un rôle de gardien pour notre monde terrestre. Ces géantes au confins des systèmes se comportent donc comme des boucliers empêchant les collisions avec les planètes de type terrestre.
Au lieu de se produire tous les 60 millions d'années, les collisions se produiraient tous les 60 000 ans.
Avec cette fréquence, seule une vie microscopique pourrait alors se développer sur les planètes terrestres et cela par manque de temps et de stabilité.

Simulation d'une troisième géante dans un système

Il s'en suit une perturbation des orbites

La perturbation est de plus en plus grande

...jusqu'à éjecter une géante

Une incroyable chance pour l'humanité car la simulation montre aussi qu'avec une ou deux planètes géantes le système reste stable.
Les planètes de type terrestre ne peuvent donc se trouver que dans un petit pourcentage d'étoiles.
La présence de Jupiter a permis à la Terre de devenir une planète où abondent des milliers d'espèces vivantes.
L'importance d'une planète géante est donc primordiale dans un système solaire, en cherchant une autre Jupiter on pourra trouver une autre terre.
La constitution de notre système solaire est le résultat d'une incroyable chance pour la VIE. Cependant des milliards d'étoiles doivent abriter des planètes, et un grand nombre de planètes doivent se situer dans la zone habitable. La quête aux exoplanètes ne fait que commencer. Le grand nombre d'étoiles rend la recherche des exoplanètes ou planètes extrasolaires, sans fin.