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A la recherche des exoplanètes

L'exoplanète Kepler 22b est 2.4 fois plus grande que la Terre et gravite dans la zone habitable autour d'une étoile solaire de type G située à quelques 600 années-lumière de la Terre. Mais aucune donnée ne permet à ce jour de conclure que cet astre ressemble à la Terre comme le présume cette iillustration. Documents T.Lombry.

Des milliards de Terre (I)

Sachant que le système solaire comprend 8 planètes, une planète naine et quantité d'autres corps célestes, peut-on découvrir ailleurs dans l'espace des systèmes planétaires équivalents et des exoplanètes à l'image de la Terre ?

Après des siècles de doute faute de moyens de recherches adaptés puis, au XXe siècle, après des décennies de recherches infructueuses, finalement les astronomes ont obtenu la réponse qu'ils attendaient : Oui, il existe d'autres systèmes planétaires dans la Galaxie et vraisemblablement au-delà. Et ils en apportèrent la preuve qui fit à l'époque une grosse impression tant dans la communauté scientifique que dans les clubs fermés plus spirituels.

Méthodes

Comment découvre-t-on une exoplanète ? S'il a fallu aussi longtemps pour découvrir ces fameuses exoplanètes qui se comptent aujourd'hui par milliers, c'est parce qu'à l'exception d'une poignée d'astres identifiés visuellement ou en infrarouge, la plupart des exoplanètes ont été découvertes de manière indirecte soit par la méthode de la vitesse radiale soit par la méthode du transit. De quoi s'agit-il ?

La méthode de la vitesse radiale consiste à mesurer par des moyens spectroscopiques les variations de vitesse de l'étoile hôte dont le centre de masse peut osciller périodiquement autour de son axe sous l'effet des perturbations gravitationnelles engendrées par un corps massif gravitant autour d'elle. Mais cette méthode indirecte permet uniquement d'estimer la masse de l'exoplanète. Notons que l'analyse spectrale est également mise à contribution pour analyser la composition et estimer la température de l'étoile hôte et des exoplanètes.

Une autre méthode consiste à appliquer la méthode du transit déjà utilisée pour étudier les étoiles binaires à éclipses. L'affaiblissement périodique de la lumière d'une étoile peut avoir une origine intrinsèque liée à son activité propre ou extrinsèque et dans ce cas révéler la présente d'un planète ou de multiples corps en orbite autour d'elle. Mais vues de la Terre, toutes les exoplanètes ne transitent pas devant leur étoile. Il faut donc inventer d'autres techniques pour découvrir ces exoplanètes beaucoup plus difficiles à détecter comme par exemple tirer profit des instruments fonctionnant en interférométrie afin d'augmenter leur pouvoir de résolution. On reviendra sur les satellites d'observation en dernière page ainsi que sur les techniques et protocoles de recherches dans l'article consacré à la recherche de planètes habitables.

Rappel historique

La première exoplanète fut découverte en 1990 par l'astronome Aleksander Wolszczan aujourd'hui à l'Université d'État de Pennsylvanie et spécialiste des pulsars justement autour du pulsar PSR B1257+12 d'une période de 6.22 ms situé à environ 2314 années-lumière dans Vierge grâce au radiotélescope d'Arecibo. Ce système abrite 3 exoplanètes, la 4e n'ayant pas été confirmée. Les trois exoplanètes ont une masse de respectivement environ 0.02, 4.3 et 3.9 M. Il est possible que ce système contienne également une ceinture d'astéroïdes.

A consulter : NASA Exoplanet Archive

The first exoplanet ever discovered. A G2 star 1.4 Rs with 1 exoplanet of 0.5J at only 0.05 AU. So close to the sun it should display a faint tail against the dark sky due to the evaporation of its atmosphere. The first exoplanet ever discovered. A G2 star 1.4 Rs with 1 exoplanet of 0.5J at only 0.05 AU.

Entourant une photo (composite RGB) de 51 Pegasi prise dans le cadre du projet DSS2 du STScI en collaboration avec l'ESO et le AAO, deux aspects possibles de 51 Pegasi b transitant devant son étoile de type solaire. Documents T.Lombry et ESO/DSS2.

A part ce cas particulier, la première exoplanète orbitant autour d'une étoile de type solaire fut découverte en 1995 par les astrophysiciens Michel Mayor et Didier Queloz de l'Observatoire de Genève en Suisse. Il s'agit de 51 Pegasi b, surnommée "Bellerophon", située à environ 47.9 années-lumière de la Terre présentée ci-dessus. L'annonce fut publiée de la revue "Nature". Cas plutôt rare avec les moyens actuels, l'exoplanète fut découverte en lumière blanche lors de son transit devant l'étoile hôte grâce au télescope de 1.93 m de Haut-Provence (OHP) tandis que les données furent traitées en Suisse. 

Sur le plan astrophysique, l'étoile 51 Pegasi est de type spectral G2 IV et brille à la magnitude apparente de 5.49. Âgée de 4 milliards d'années, sa taille est de 1.2 R et sa masse de 1.11 M. L'exoplanète 51 Pegasi b gravite à 0.052 UA soit à peine 7.8 millions de kilomètres de l'étoile et sa période orbitale est de seulement 4.23 jours. Son rayon est d'environ 1.9 Rj et sa masse de 0.47 Mj. On a découvert du monoxyde de carbone (CO) et de la vapeur d'eau dans l'atmosphère de l'exoplanète qui par ailleurs subit un important effet de souffle et d'évaporation en raison de sa proximité de l'étoile.

En utilisant des télescopes toujours plus puissants, y compris des télescopes spatiaux comme Corot et surtout Kepler et des méthodes de détection plus affinées, sur plus de 150000 étoiles étudiées, en décembre 2017 les astronomes avaient identifié 3720 exoplanètes dans 2787 systèmes planétaires dont 623 systèmes contiennent plusieurs exoplanètes. Chaque mois, de nouvelles exoplanètes viennent enrichir les catalogues.

A voir : Kepler Orrery IV

Animation des systèmes exoplanétaires

Distribution et caractéristiques des principales exoplanètes découvertes par l'observatoire orbital Kepler entre 2009 et 2015. Documents NASA.

Depuis son lancement en 2009, grâce à Kepler les astronomes ont découvert plus d'une centaine d'exoplanètes de la taille de la Terre. Tous ces astres gravitent dans la zone habitable autour d'une étoile de classe spectrale G, K ou M.

En moyenne, chaque année les astronomes découvrent une vingtaine d'exoplanètes, essentiellement par des méthodes indirectes : mesure de la vitesse radiale, astrométrie, transit, microlensing, etc. Une dizaine d'exoplanètes seulement ont été découvertes de manière directe, par photographie soit en lumière blanche soit en infrarouge. Toutes les exoplanètes sont recensées dans les catalogues de la NASA et du CNRS.

Moins de 10 % des exoplanètes cataloguées ont une masse 10 fois inférieure à celle de Jupiter. Le nombre d'éventuelles exoplanètes telluriques reste donc encore relativement faible.

Les records

Sur l'ensemble des systèmes planétaires connus, le record du nombre d'exoplanètes est détenu par Kepler 90 alias KOI-351 découvert en 2013 par la méthode du transit. Le système est situé à environ 2545 années-lumière et possède 8 exoplanètes. La dernière, Kepler 90i, fut découverte en 2017 et serait une planète rocheuse de ~1.32 R (avec R = 6371 km) et chaude (427°C en surface), probablement assez proche de l'aspect de Mercure.

L'étoile Kepler 90 de type solaire est de classe spectrale G0V (contre G2V pour le Soleil) et de magnitude apparente 12.5 (bande K, infrarouge). On estime son âge à environ 2 milliards d'années. Elle présente une température effective de 6080 K, un rayon de 1.2 R et une masse de 1.02 M.

A voir : Le système solaire a trouvé son lointain jumeau

Euronews relayant l'information de la NASA à propos de Kepler 90, 2017

Comparaison entre le système Kepler 90 et le système solaire. Documents NASA adaptés par l'auteur.

Kepler 90 est un véritable système solaire en miniature. Comme on le voit ci-dessus, il comprend 3 petites exoplanètes rocheuses (1.19 à 1.32 R) gravitant tout près de l'étoile, entre 0.07 et 0.09 UA, 3 explanètes de taille intermédiaire voisine de celle de Neptune (0.24 à 0.26 Rj) et probablement gazeuses gravitant entre 0.32 et 0.48 UA et 2 grandes exoplanètes gazeuses dont Kepler 90h qui est la plus éloignée (1.01 UA) et légèrement plus grande que Jupiter (1.02 Rj).

Vous trouverez plus d'informations sur ce système dans les nombreuses études publiées par l'équipe de l'astrophysicien Juan Cabrera de l'Institut DLR de Recherche Planétaire de Berlin dont "KIC 11442793: A Compact Analogue to the Solar System" publiée en 2014.

Deux autres systèmes possèdent chacun 7 exoplanètes : HD 10180 et Trappist-1. Juste derrière vient Kepler 11 avec 6 exoplanètes. Ensuite, nous avons plusieurs systèmes contenant 5 exoplanètes dont 55 Cancri situé à 40 années-lumière découvert en 2007, Kepler 32, Kepler 33, Kepler 35, Kepler 55, Kepler 62, KOI 435, KOI 500, KOI 1589, etc. Enfin, plusieurs systèmes possèdent 4 exoplanètes dont le pulsar PSR B1257+12 précité et Mu Arae.

L'exoplanète la plus proche est Proxima b située à seulement 4.22 années-lumière (voir-ci-dessous) tandis que la plus éloignée dans notre Galaxie est SWEEP-11 située à 27710 années-lumière (8500 pc) du Soleil mais il en existe certainement jusqu'aux limites de la Voie Lactée.

A gauche, illustration du système Kepler 90. A droite, configuration du système Kepler 90 comparée à d'autres systèmes exoplanétaires multiples. Documents T.Lombry et J.Cabrera et al. adapté par l'auteur.

L'exoplanète la plus brillante est Pollux b située à 34 années-lumière dans les Gémeaux qui atteint la magnitude visuelle 1.14. Elle gravite à 1.64 UA de Pollux. On ne peut donc pas l'observer car elle est noyée dans la lumière de son étoile de classe spectrale K. En revanche, l'exoplanète GU Piscium b située à 160 années-lumière gravite à 2000 UA soit 42" de son étoile. Cette exoplanète d'environ 10 fois la masse de Jupiter est visible en infrarouge comme le montre cette photographie prise avec le CFHT de 3.60 m d'Hawaii combinée avec une image visible prise par le télescope Gemini de 8.10 m de diamètre.

L'exoplanète la plus grande (en rayon) est HD 100546b découverte en 2005 à environ 320 années-lumière dans la constellation de la Mouche (Musca), près de la Croix du Sud. Elle est ~7 fois plus grande que Jupiter pour une masse 20 fois supérieure. Notons que son étoile de type Herbig Ae cataloguée HD 1000546 (KR Muscae) est entourée d'un disque de poussière. Mais la plus massive est le compagnon invisible de l'étoile naine brune (type L1.5) DENIS-PJ082303.1-491201b  découverte en 2013 qui est 2.86 fois plus grande que Jupiter et environ 28 fois plus massive ! C'est d'ailleurs la découverte de ces astres qui a conduit en 2018 les astrophysiciens à réviser la définition d'une planète et notamment de leur masse maximale qui est aujourd'hui fixée entre 4 et 10 fois la masse de Jupiter. On y reviendra.

Enfin, l'exoplanète la plus chaude est KELT-9b alias HD 195689b découverte en 2017 située à 650 années-lumière. Cet astre deux fois plus massif que Jupiter présente une température d'environ 4600 K sur sa face exposée à l'étoile cataloguée HD 195689 (ou KELT-9) de type spectral A0, cette dernière ayant une température effective de 10170 K. L'exoplanète est aussi chaude qu'une étoile de classe spectrale K4 ! Cette exoplanète atypique reçoit 700 fois plus de rayonnement UVE que le précédent record détenu par l'exoplanète WASP-33b qui présente une température de 3027 K au niveau de sa stratosphère et de 1327 K à plus basse altitude. WASP-33b gravite autopur d'une étoile de type spectral A5. Ces deux exoplanètes sont ce qu'on appelle des "hot Jupiter", c'est-à-dire des planètes géantes gazeuses chaudes. On y reviendra.

A gauche et au centre, deux aspects du "hot Jupiter" KELT-9b Sagittarii dont la température superficielle atteint le record de 4600 K ! A droite, le "Hot Jupiter" WASP-33b dont la température superficielle atteint 3027 K ! Documents T.Lombry.

Les exoplanètes telluriques dans la zone habitable

On entend par zone habitable, une région planétaire où la température permet la présence d'eau liquide en surface et donc voisine de 0°C. Cet astre peut bien entendu supporter des écarts importants de température variant par exemple sur Mars entre -140°C en hiver au pôle Nord et +27°C à midi en été à l'équateur. La Terre connaît également des écarts de température assez importants entre -89.2°C à Vostok en Antarctique à +56.7°C à Furnace Creek au Groenland et régulièrement plus de 50°C sous les Tropiques.

Pour évaluer objectivement la viabilité d'une exoplanète, les planétologues et les exobiologistes ont développé plusieurs indices :

- le DI (Detection Index) qui mesure la capacité d'une planète à abriter la vie

- l'ESI (Earth Similarity Index) ou indice de similarité avec la Terre

- le PHI (Planetary Habitability Index) ou indice d'habitabilité planétaire

- le BCI (Biological Complexity Index) ou indice de complexité biologique.

On y reviendra dans l'article consacré à la recherche de planètes habitables.

Passons à présent en revue quelques exoplanètes telluriques proches et particulièrement intéressantes dont les systèmes d'Alpha du Centaure (Rigil Kentaurus), Trappist-1 et Tau Ceti avant de décrire la relation masse-rayon, les "hot Jupiter" et systèmes particuliers parmi d'autres sujets.

Prochain chapitre

Alpha du Centaure, Rigil Kentaurus

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