Exoplanètes:à la recherche de nouveaux mondes

Ci-aprés figure compte-rendu d'une conférence donnée le 27 avril 2004 à l'Observatoire Midi-Pyrénées de Toulouse, France, par Marc Ollivier, alors Astronome à l'Institut d'Astrophysique Spatiale d'Orsay.
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point Introduction

Les penseurs Grecs furent les premiers à envisager l'existence de vie extraterrestre. Ainsi Epicure, dans son adresse à Hérodote, stipula-t-il l'infinité du nombre d'assemblages d'atomes - l'infinité du nombre de mondes donc, peuplés chacun d'êtres vivants tels que nous les connaissons, qui plus est. A la toute fin du XVIème siècle de notre ère, Giordano Bruno fit une semblable déclaration, qui lui valut d'être condamné par le tribunal de l'Inquisition à périr sur le bûcher. Quelques dizaines d'années plus tard, l'astronome hollandais Christian Huygens (1629-1695) proclama haut et fort la nature similaire des étoiles et du Soleil. A ce titre, chacun de ces soleils est vraisemblablement accompagné de planètes susceptibles, à l'image de notre Terre, d'abriter la vie.

Sidobre

Photographie : Une planète rocheuse située à relative proximité de son étoile, de l'eau liquide en surface
et une épaisse atmosphère constituent les ingrédients nécessaires à l'apparition et au développement de la vie.
Cette photographie a été acquise dans le massif du Sidobre, situé à l'est de Castres dans le Tarn

Les preuves de l'existence de planètes extrasolaires s'accumulèrent, au fil du développement de l'instrumentation astronomique. Ainsi, dès 1931, l'astronome Berman annonça-t-il la découverte d'un objet dont la masse est 45 fois supérieure à celle de Jupiter. Sur la base de 2413 clichés recueillis entre 1910 et 1960, Van de Komp affirma quant à lui avoir détecté l'existence d'une planète à proximité de l'étoile de Barnard - la deuxième étoile la plus proche de notre système solaire. Une information qui demeure, aujourd'hui encore, à confirmer. En 1981, des observations dans le domaine de l'infrarouge révèlèrent l'existence d'un disque de poussières à proximité de l'étoile beta Pictoris. Une petite variation de luminosité de cette étoile s'expliquerait par ailleurs par le passage d'une comète à proximité directe. En 1985, McCarthy annonça, à tort, la découverte d'un objet de la taille de Jupiter - il s'agissait en réalité d'un artéfact instrumental. En 1992, Wolszczan détecta trois objets de dimension semblable à celle de la Lune autour d'un pulsar. En 1995, enfin, Mayor et Queloz découvrirent la toute première planète extrasolaire autour de 51 Pegase b, une étoile comparable à notre Soleil.

Entre 1995 et 2004, 123 planètes extrasolaires ont été détectées - à ce jour, le nombre d'exoplanètes confirmées est voisin de 1750. En quoi l'étude de leur distribution spatiale, de leur distribution de masse, ... permet-elle de mieux comprendre les processus de formation et d'évolution des systèmes planétaires en général, de notre système solaire en particulier ?


point Quelques rappels concernant les planètes et les étoiles ...

La formation et l'évolution de tout objet céleste dépendent d'un paramètre physique essentiel : la masse de cet objet (M). Si celle-ci est au moins 80 fois supérieure à la masse de Jupiter (M > 80 MJ), ce qui représente environ 8% de la masse solaire, des réactions de fusion se déclenchent en son coeur ; il devient une étoile dont le rayon est directement proportionnel à sa masse. Dans le cas contraire (M < 80 MJ), la température du coeur est insuffisante pour permettre la fusion de l'hydrogène. Si cette masse est supérieure à 13 fois la masse de Jupiter (13 MJ < M < 80 MJ), la température du coeur est suffisante toutefois pour permettre la fusion du deutérium ; l'objet devient alors une naine brune dont le rayon est proportionnel à l'inverse de la racine cubique de sa masse. Enfin, si la masse de l'objet considéré est inférieure à 13 fois celle de Jupiter (M < 13 MJ), l'objet devient une planète - tellurique (M < 10 MJ) ou géante (10 MJ < M < 13 MJ). Dans ce dernier cas, le coeur de la planète récupère le gaz environnant. Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune sont des planètes géantes ; Mercure, Vénus, la Terre et Mars, des planètes telluriques en revanche. Pluton, enfin, le premier des objets transneptuniens. Notre système solaire n'est donc constitué que de huit planètes.

En vertu des trois lois de Képler, chaque planète décrit une orbite elliptique dont son soleil occupe l'un des foyers ; il parcourt des aires égales en de semblables intervalles de temps ; enfin, le rapport du cube de son demi-grand axe au carré de sa période de révolution est une constante, qui dépend de la masse du soleil considéré et de la constante de gravitation à la surface de la planète.

orbite planetaire

Figure : Chaque planète parcourt une orbite elliptique
dont son soleil occupe l'un des deux foyers, le point F en l'occurrence.


point Contraintes observationnelles

90% des étoiles occupent la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russel ou diagramme couleur - luminosité. A l'aide d'un spectrographe, il suffit donc de mesurer la couleur d'une étoile pour pouvoir en déduire sa température de surface, sa masse et sa durée de vie. Considérant le laps de temps nécessaire à la formation des planètes, les observations portent exclusivement sur les étoiles caractérisées par une longue durée de vie.

Diagramme

Figure : Diagramme de Hertzsprung-Russel.
Le terme L/Lo désigne le rapport de la luminosité de l'objet à celle du Soleil.

Le système {étoile, planète} se meut autour de son centre de gravité - cette distance à laquelle les forces de gravitation issues de l'étoile et de la planète s'équilibrent. Dans le cas d'une planète de faible masse, le centre de gravité du système se confond avec le centre de l'étoile. Dans le cas contraire, le centre de gravité du système se trouve légèrement décalé du centre de l'étoile. La présence d'une planète de masse relativement élevée dans les environs d'une étoile se traduit donc par le déplacement de cette étoile autour du centre de gravité du système. Ce mouvement de l'étoile dans le plan du ciel peut faire l'objet d'une détection par astrométrie ou par mesure des vitesses radiales. A titre d'exemple, le satellite Hipparcos est capable de détecter des déplacements de quelques millisecondes d'arc. Si cette précision atteignait les millimicrosecondes d'arc, la présence d'objets dont la masse avoisine celle de Jupiter pourrait être mise en évidence. L'utilisation de cette méthode astrométrique limite donc notre recherche aux seules planètes géantes. Autre méthode de détection possible du mouvement de l'étoile : l'effet Doppler-Fizeau optique ou le décalage des raies spectrales vers le rouge ou vers le bleu, selon que l'étoile observée s'éloigne ou s'approche du spectrographe. L'utilisation d'instruments très précis permet par ailleurs de mesurer les variations de vitesse radiale de l'étoile observée, dont nous pouvons déduire sa masse, sa période de révolution, ... Cette méthode est toutefois sensible à l'angle alpha sous lequel est vu le système. Aussi la masse de l'objet observé dérivera-t-elle du produit de l'angle alpha par la masse déduite de la mesure de sa vitesse radiale.


point Résultats d'observations

2000 étoiles semblables à notre Soleil font actuellement l'objet d'observations répétées. Leur domaine spectral s'étend de F à M, leur température de surface de 3000 à 8000 degrés Kelvin, leur durée de vie est comprise entre 1 et 10 milliards d'années. En 2004, 123 planètes géantes avaient été été découvertes ; 108 d'entre elles constituent, avec leur soleil respectif, des systèmes monoplanétaires ; 13 autres appartiennent à des systèmes multiples - constitués de plusieurs planètes. Leur masse égale bien souvent une à trois fois celle de Jupiter (1 MJ < M < 3 MJ) ; leurs orbites présentent des excentricités très variées, directement conséquentes de leur éloignement à l'étoile considérée.

Une trentaine de ces exoplanètes se situent à très courte distance de leur soleil (10% de la distance Terre-Soleil contre 40% pour Mercure), ce qui leur confère une température de surface très élevée - de l'ordre de 2000 Kelvin. D'où leur appellation de "Jupiter chauds". La condensation des matériaux solides recquérant une température inférieure à 1500 Kelvin, ils n'ont pu se former là où ils se trouvent, mais à une distance au moins supérieure à 5 ua de leur soleil. A 0,5 ua de leur soleil (distance Terre-Soleil), la densité de matériaux (gaz, poussières, ...) aurait d'ailleurs été trop faible pour permettre l'accrétion, et donc la formation d'une planète géante. D'où l'hypothèse selon laquelle ces "Jupiter chauds" auraient changé d'orbite - seraient passés d'une orbite éloignée de plus de 5 ua de leur soleil à une orbite voisine de 0,5 ua. A si courte distance ne fut détecté aucun objet de grande masse. Sans doute ce mécanisme de transfert d'orbite ne concerne-t-il donc que ceux de faible masse ?
Nebuleuse d'Orion

Photographie : L'étoile Sirius et la constellation d'Orion dans le ciel Tarnais.
Au sein de la nébuleuse d'Orion, située à environ 1400 années lumière de la Terre,
les phénomènes stellaires (vents stellaires, explosions d'étoiles) sont si intenses et
fréquents que les systèmes solaires naissants disparaissent extrêmement rapidement.

Les planètes dont la période de révolution autour de leur soleil est courte - inférieure à 10 jours - parcourent des orbites circulaires. Cette observation s'explique par l'effet de marées, analogue à celui que la Terre exerce sur la Lune. A grande distance, les effets de ce différentiel gravitationnel deviennent négligeables, comparés à ceux du disque protoplanétaire, d'éventuelles planètes géantes et étoiles environnantes. La distribution des excentricités des orbites planétaires devient semblable alors à celle des excentricités des orbites stellaires. En théorie, la valeur de cette excentricité doit toutefois diminuer avec la masse de la planète considérée.

Autre constatation mesurée : la présence de planètes géantes autour d'étoiles très métalliques - riches en matériaux autres que l'hydrogène et l'hélium, et nécessaires à la constitution du noyau. La question se pose alors de savoir s'il reste encore suffisamment de matériaux pour former les planètes telluriques.

L'analyse spectrale de l'atmosphère externe des planètes géantes révèle la présence d'eau et de fer solide, d'oxydes de titane, de manganèse, de calcium, au sein des objets les plus froids. L'existence de raies moléculaires spécifiques à l'ammoniac, au méthane, ... permet de différentier ces objets.


point Exemple des Pégasides

Les Pégasides font partie de ces "Jupiter chauds" observés directement. Leur température de surface avoisine les 1200 Kelvin. En théorie, ils ne subissent aucune évaporation. Ces objets massifs sont donc stables. Ils sont soumis toutefois à des phénomènes de marées, qui se traduisent par la présence de vents violents à leur surface (1 km/sec). L'observation du transit de l'une de ces planètes (HD209458b), soit son passage devant son étoile, fut l'occasion détablir son rayon à 1,34 rayons jupitériens et sa masse à 0,07 masses solaires. En 2002 fut observée une raie de calcium dans le spectre de l'objet et de nouveau calculé son diamètre. La valeur obtenue fut différente de la première. En 2003, Vidal-Majar et al soulignèrent la présence d'hydrogène au-delà du lobe de Roche - preuve que la planète s'évapore. Contrairement à ce qu'avaient prédit les modèles, cet objet n'est donc pas stable. Lorsqu'il se sera complètement évaporé, seul demeurera un noyau chaud.


point Les missions à venir

Les années 1995 à 2005 sont exclusivement consacrées à la recherche de planètes géantes, lointaines et proches, par des méthodes basées sur l'astrométrie et la mesure des vitesses radiales. L'utilisation de la méthode des transits devrait permettre, à court terme, la détection de planètes telluriques. C'est là tout l'enjeu du projet COROT (Convection-Rotation-Transits), centré sur l'observation de 60 000 étoiles. Devrait s'ensuivre, à compter de 2015, la découverte de planètes habitables et, espérons-le, habitées ... ;))