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A la recherche des exoplanètes
Des milliards de Terre (III) TRAPPIST-1 Dans le cadre du projet SPECULOOS (Search for Habitable Planets EClipsing ULtra-COOl Stars), grâce au télescope TRAPPIST (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope) exploitant un télescope robotisé de seulement 60 cm de diamètre installé à l'observatoire de l'ESO à La Silla, en 2016 une équipe internationale d'astronomes dirigée par Michaël Gillon de l'Université de Liège (voilà d'où viennent ces surnoms humoristiques bien belges !) découvrit 3 exoplanètes telluriques autour de l'étoile naine froide TRAPPIST-1 de magnitude 18.8 située à 39.5 années-lumière de la Terre dans la constellation du Verseau. En 2017, grâce au télescope spatial Spitzer, les astronomes découvrirent quatre nouvelles exoplanètes dans ce système, totalisant comme nous l'avons évoqué 7 exoplanètes. Ces
exoplanètes dont la masse
varie entre environ 0.086 et 1.63 M C'est la première fois dans l'histoire de l'astronomie que les astronomes peuvent étudier directement l'atmosphère d'exoplanètes telluriques. En effet, généralement les astres sont tellement éloignés et pâles que les étudier avec nos moyens actuels relève de l'utopie. Dans ce cas-ci, les astronomes peuvent analyser leur atmosphère, déterminer les quantités d'hydrogène, d'oxygène, de carbone et d'eau notamment et dans dix ans nous pourrons probablement savoir si ces planètes présentent ou non des traces de vie. A
voir : NASA &
TRAPPIST-1, 2017 Les Speculoos de l'espace - Si tu écoutes le sketch
En revanche, vu sa distance, ce système planétaire restera un objectif théorique et malheureusement inaccessible. En effet, à la vitesse d'une navette spatiale (28163 km/h soit 7.8 km/s), il faudrait environ 1.5 million d'années pour l'atteindre, 800000 ans à la vitesse de la sonde spatiale New Horizons (51516 km/h soit 14.3 km/s) et 200 ans en utilisant une nanovoile laser propulsée à 20% de la vitesse de la lumière soit 60000 km/s... Ceci dit, TRAPPIST-1 représente un système planétaire très intéressant à étudier qui mérite bien quelques commentaires supplémentaires. Propriétés de l'étoile Selon
les mesures réalisées en 2016 par Michaël
Gillon de l'Université de Liège et son équipe, TRAPPIST-1 est une naine
rouge froide et pâle de type spectral M8 V d'une température effective d'environ 2550
K soit 2280°C. Elle présente un rayon de seulement 0.114 R
Sa masse est d'environ 0.08 M Une étude publiée en 2016 par Peter Wheatley de l'Université de Warwick et son équipe basée sur les données recueillies par le satellite XMM-Newton et des simulations indique que TRAPPIST-1 génère une forte émission d'UV lointains (FUV entre 200-122 nm) et UVE/XUV (entre 200-10 nm), c'est-à-dire aux longueurs d'ondes de transition vers les rayons X. Ces rayonnements ionisants irradient les exoplanètes TRAPPIST-1 b et c. Les relevés du satellite XXM-Newton indiquent une intensité en XUV 50 fois plus élevée que les prédictions. Ce rayonnement aurait fait disparaître l'équivalent de 15 fois la quantité d'eau contenue dans les océans terrestres. Toutefois, cela ne signifie pas qu'elles sont stériles et arides car elle peuvent encore contenir suffisamment de l'eau pour les rendre habitables, bien que ce soit plus probable. On y reviendra. Les mesures obtenues par le satellite XMM-Newton indiquent également que TRAPPIST-1 émet un rayonnement X à un niveau comparable à celui du Soleil pourtant beaucoup plus massif. Selon une étude publiée en 2017 par l'équipe de l'astrobiologiste Rodrigo Luger de l'Université de Washington, sur base de sa masse et luminosité, TRAPPIST-1 est une étoile d'âge moyen (8 milliards d'années). Selon une autre étude publiée en 2004 par Fred Adams de l'Université de Michigan et ses collègues, TRAPPIST-1 peut ainsi survivre sans grands changements pendant 12000 milliards d'années. Très proche du Soleil, TRAPPIST-1 présente une parallaxe de 82.6 mas (~0.08"/an) et une vitesse radiale (dans la ligne de visée) d'environ -55 km/s, c'est-à-dire qu'elle se rapproche du système solaire. Etant donné sa relative faible température superficielle, cette étoile présente donc une couleur rouge sombre mais toute théorique car étant donné sa luminosité, comme la lave portée à plus de 1000°C est très brillante, TRAPPIST-1 brille d'un éclat orangé. Elle appartient à un groupe hétérogène d'étoiles naine rouges de très faible massse (comprenant principalement des naines brunes, qui ne sont pas des étoiles) qui représentent environ 15% de la population dite stellaire de la Voie Lactée. Les modèles prédisent qu'étant donné la faible masse de ce type d'étoiles et la petite taille de leur disque protoplanétaire, elles doivent abriter un grand nombre d'exoplanètes. Cette découverte en est un bel exemple. De l'eau liquide sous conditions Dans une étude publiée dans "The Astrophysical Journal" en 2018, le doctorant Andrew Lincowski de l'Université de Washington et ses collègues ont proposé une nouvelle modélisation du climat des exoplanètes du système TRAPPIST-1. En résumé, TRAPPIST-1 b, la plus proche de l'étoile, est un monde flamboyant trop chaud, au point qu'il se forme des nuages d'acide sulfurique, comme sur Vénus. Les exoplanètes c et d reçoivent légèrement plus d'énergie de leur étoile que la Terre en reçoit du Soleil. Elles pourraient ressembler à Vénus, avec une atmosphère dense et seraient inhabitables. TRAPPIST-1 e est l'exoplanète la plus susceptible de contenir de l'eau liquide sur une surface tempérée et constituerait un excellent choix pour des études ultérieures tenant compte de l'habitabilité. Enfin, les exoplanètes extérieures f, g et h pourraient ressembler à Vénus ou être gelées, selon la quantité d'eau formée au cours de leur évolution. Selon l'astronome Julien de Wit de l'Université de Liège, TRAPPIST-1 e, f et g gravitent dans la zone habitable et pourraient abriter des océans semblables à ceux de la Terre. Mais il y a des conditions à remplir. Selon l'étude précité de Rodrigo Luger et ses collègues, le flux stellaire incident (l'irradiance) à la distance de l'exoplanète TRAPPIST-1 h qui est la plus éloignée (0.06 UA, ce qui correspond par rapport à l'étoile à la position de Mars), l'irradiance totale est de 200 W/m2, sous les 300 W/m2 requis pour maintenir une surface d'eau liquide dans une atmosphère d'azote-gaz carbonique-eau. Par comparaison, à 1 UA du Soleil, l'irradiance solaire annuelle moyenne atteint 1361 W/m2 au sommet de l'atmosphère terrestre et atteint encore 1120 W/m2 en moyenne au niveau du sol.
Sur base de simulations faites pour une étoile de 3000 K, on pourrait trouver les 100 W/m2 manquants dans l'effet de marée thermique (voir plus bas) mais à condition que ces astres présentent une forte excentricité orbitale, ce qui n'est pas possible compte tenu des orbites des exoplanètes TRAPPIST-1 f et h. De plus, ces exoplanètes ne pourraient pas présenter une épaisse atmosphère de gaz carbonique formée par condensation, la concentration de CO2 ne dépassant pas 100 ppm sous une pression de 1 bar d'azote. En prenant l'exoplanète TRAPPIST-1 h comme exemple (la plus facile à observer), selon les chercheurs, sa surface pourrait abriter de l'eau liquide si son atmosphère est riche en hydrogène soit d'origine primordiale soit résultant d'un dégazage continu des roches. Une atmosphère d'hydrogène-azote-eau ou de gaz carbonique-hydrogène pourrait fournir un effet de serre suffisant tandis que la chaleur interne de l'exoplanète pourrait encore réduire les exigences. Des analyses spectrométriques ultérieures permettront de préciser la composition de l'atmosphère de ces exoplanètes. On pourrait aussi éventuellement trouver de l'eau liquide sous la surface glacée, tout dépendant de l'intensité du flux de chaleur interne. Sur base du flux géothermique terrestre, on estime que cet océan pourrait s'étendre sur 2.7 km de profondeur (la profondeur moyenne des océans sur Terre). Enfin, selon une étude publiée dans "The Astronomical Journal" en 2018 par l'astronome Hannah Wakeford du STScI et ses collègues, l'atmosphère de TRAPPIST-1 g n'est pas celle d'origine. Elle se serait formée au cours du temps suite à l'activité de l'étoile. Il s'agirait donc d'une exoplanète rocheuse présentant une activité géologique voire davantage. Mais ces seules conditions physico-chimiques, même si on les rencontre sur l'une ou l'autre des exoplanètes de ce système ne suffisent pas pour déclarer que la vie est possible dans ce système. En effet, cela dépend des orbites des exoplanètes et des propriétés et donc des émissions de l'étoile. Or, comme nous l'avons expliqué, TRAPPIST-1 émet des rayonnements intenses UV et X qui peuvent rapidement détruire dans l'oeuf toute tentative de faire naître n'importe quelle forme de vie ou de faire pousser quoi que ce soit sur l'une de ces exoplanètes. Des conditions de vie insupportables Si plusieurs des exoplanètes du système TRAPPIST-1 évoluent dans la zone habitable, on se pose naturellement la question de savoir si on pourrait vivre ou si la vie existe sur l'une d'entre elles. Malheureusement, les données indiquent déjà que la réponse est plutôt négative pour différentes raisons.
D'abord sur le plan mécanique, selon plusieurs études (cf. Michaël Gillon et al. (en PDF), 2017; Federico Fraschetti et al. et Hamish Hay et al., 2019) TRAPPIST-1 est le seul système connu et aussi compact où des effets de marée se font sentir entre les planètes. En effet, plusieurs exoplanètes sont orientées vers l'étoile par un effet de verrouillage gravitationnel similaire à celui qui bloque la face visible de la Lune vers la Terre, rendant les perspectives de développement de la vie plus difficiles. En effet, les conditions climatiques sont très rigoureuses avec des différences de température très marquées entre la partie éclairée et celle plongée dans l'obscurité entraînant par ailleurs d'importants mouvements atmosphériques (on ne parle pas encore de masses d'air) avec des rafales de vent violentes. Seule la région crépusculaire du terminateur serait peut-être viable avec des températures clémentes. Il existerait également des marées de chaleur significatives sur cinq des sept exoplanètes (sauf TRAPPIST-1 f et h) comme on en observe dans les interactions entre Io et Jupiter ou Encélade et Saturne. Selon l'étude de Rodrigo Luger précitée, leur intensité serait supérieure au flux géothermique total qu'on observe su Terre (valant au maximum 350 mW/m2). Bien que ces effets soient a priori préjudiciables à la vie, en plus d'un échauffement, ces effets peuvent synchroniser la rotation d'une planète et protéger une hémisphère de l'activité stellaire, donnant un petit espoir à la vie. Ensuite, il y a l'activité même de l'étoile. Alors qu'on imagine souvent que les naines rouges sont des étoiles âgées qui ont épuisé leur combustible, thermonucléairement mortes et donc paisibles, ce n'est souvent pas le cas. Elle comme leur hydrogène littéralement à petit feu parfois pendant des dizaines de milliards d'années. De plus, elles peuvent encore non seulement rester relativement chaudes très longtemps mais également émettre des rayonnements ionisants très intenses et des éruptions bien plus violentes que celles du Soleil avec des effets catastrophiques. Ces conditions extrêmes en termes de température et de radiations furent confirmées dans deux études publiées en 2017, l'une par Manasvi et Avi Loeb du CfA, la seconde par l'équipe de Cecilia Garraffo du CfA en collaboration avec l'Université du Massachussetts. On apprend notamment que TRAPPIST-1 émet des courants de particules dont la pression au niveau de ses exoplanètes est 1000 à 100000 fois plus élevée que celle que le vent solaire exerce sur la Terre. Selon les chercheurs, il est même possible que le champ magnétique de l'étoile se connecte au champ magnétique des exoplanètes permettant aux particules du vent stellaire de plonger directement dans leur atmosphère. Si le flux est suffisamment intense, il pourrait arracher l'atmosphère des exoplanètes et peut-être même l'évaporer totalement, transformant à terme ces astres en désert stérile. Nous verrons que cela s'est probablement déjà produit.
Outre les émissions UV et X, TRAPPIST-1 manifeste aussi d'intenses éruptions de matière. Selon une étude publiée en 2017 par une équipe d'astronomes dirigée par Krisztián Vida de l'Observatoire Konkoly en Hongrie dans le cadre de la mission K2 du télescope Kepler, l'activité de TRAPPIST-1 est importante et a priori préjudiciable à toute forme de vie au point qu'un débarquement sur l'une de ses exoplanètes serait très risqué. Ainsi, sur une période d'observation de 80 jours, les chercheurs ont constaté que TRAPPIST-1 émit 42 éruptions de haute énergie dont 5 soit 12% étaient des éruptions complexes (contenant chacune de multiples éruptions en chaînes). L'éruption la plus intense fut comparable à la plus grande éruption solaire, le fameux évènement de Carrington survenu en 1859. Si on imagine un jour explorer les exoplanètes de ce système, mieux vaut y regarder à deux fois car il ne sera pas évident d'y survivre. En effet, sur TRAPPIST-1 ces éruptions se produisent en moyenne toutes les 28 heures si bien qu'on peut parler d'un bombardement quasi constant. Les chercheurs ont évalué que l'intensité de ces éruptions était des centaines à des milliers de fois plus intenses que les tempêtes solaires frappant la Terre.Selon une autre étude publiée en 2016 par une équipe internationale d'astronomes dirigée par Olivia Venot de l'Université Catholique de Louvain (KUL), il faudrait 30000 ans pour que l'atmosphère de la Terre se stabilise après avoir subi seulement une seule de ces éruptions ! Quand on connaît les risques qu'il y a déjà sur Terre à voler en haute altitude ou de séjourner dans l'espace pendant les éruptions solaires, on n'a plus trop envie d'aller se promener sur TRAPPIST-1. Les exoplanètes du système TRAPPIST-1 évoluant 17 à 90 fois plus près de leur étoile que la Terre du Soleil, ce bombardement corpusculaire et ionisant intense et ininterrompu semble empêcher toute stabilité de leur atmosphère, rendant a priori très difficile toute implantation de la vie, même pour un organisme extrêmophile primitif. La situation est déjà parfois difficile sur la Terre alors que la planète est protégée des pires effets du Soleil par sa magnétosphère, son atmosphère et sa couche d'ozone sans oublier la Lune qui peut encore servir de bouclier face aux météorites. Or les chercheurs estiment que les exoplanètes de TRAPPIST-1 ne présentent pas la même protection. De plus, dans une étude publiée en 2016 par Christina Kay de l'Université de Boston et ses collègues consacrée aux CME impactant les exoplanètes en orbite autour des étoiles naines de classe M, on apprend que les exoplanètes de TRAPPIST-1 devraient disposer d'une magnétosphère présentant une induction magnétique de plusieurs dizaines de milliers de Gauss pour y résister. Par comparaison celle de la Terre est d'environ 0.58 Gauss soit 58 μT à la latitude de 50° et est plus faible encore à l'équateur. Dans ces conditions, selon Lingam et Loeb du CfA, les chances qu'une vie complexe existe sur l'une des trois exoplanètes situées dans la zone habitable de TRAPPIST-1 sont inférieures à 1% comparées aux possibilités de vie sur Terre. On en déduit donc qu'il est peu probable que les conditions s'améliorent sur ces exoplanètes et quelle que soit leur distance à TRAPPIST-1, elles sont pratiquement inhabitables. Des mondes probablement chauds et secs L'observation des étoiles naines rouges nous indiquent qu'elles sont beaucoup plus froides que le Soleil et donc que toute planète habitable devrait orbiter très près de l'étoile pour atteindre des températures positives en surface. Les naines rouges sont également connues pour avoir des éruptions intenses y compris des superéruptions qui peuvent brûler les planètes proches sous l'effet des rayons X et présenter d'autres dangers (marées de chaleur, champ magnétique, etc). Comme nous l'avons expliqué, dans ces conditions tout indique que la vie ne pourrait pas se développer sur les exoplanètes de TRAPPIST-1. Une nouvelle confirmation de l'inhabitabilité probable de ce système fut apportée dans une étude publiée par Gwenaël Van Looveren et ses collègues dans la revue "Astronomy & Astrophysics" en 2024 (en PDF sur arXiv). Les auteurs ont étudié les atmosphères potentielles des exoplanètes de TRAPPIST-1 en profitant des performances exceptionnelles du télescope spatial James Webb (JWST). Les observations ont confirmé que les deux explanètes les plus intérieures n'ont pas d'atmosphère significative, ce à quoi on s'attendait (dans le système solaire, Mercure n'a pas d'atmosphère). Mais les astronomes estiment que les mondes plus froids et plus lointains de TRAPPIST-1 pourraient présenter des atmosphères. Les chercheurs se sont donc tournés vers des simulations informatiques pour déterminer si en théorie (par calcul) ces explanètes extérieures pourraient conserver une atmosphère. À partir des observations de TRAPPIST-1 et d'autres naines rouges, les auteurs ont calculé la quantité de rayonnement de haute énergie que l'étoile est susceptible d'émettre au fil du temps. Ils ont ensuite simulé les effets de ce rayonnement sur les éventuelles atmosphères primordiales des exoplanètes extérieures de TRAPPIST-1. À partir de là, ils ont modélisé le taux d'évaporation atmosphérique. Toutes les planètes y compris la Terre, perdent un peu d'atmosphère au cours du temps. La question est de savoir en quelle quantité et à quel taux. Au terme des simulations, les auteurs ont constaté que pour TRAPPIST1-1, la réponse est multiple et rapide. A voir :
Is TRAPPIST-1 c Habitable? JWST Observations Suggest
Not, Deep Astronomy Sur base des niveaux de rayonnement actuels de TRAPPIST-1, même ses exoplanètes extérieures perdraient l'équivalent de l'atmosphère terrestre en gaz en quelques centaines de millions d'années. Les planètes telles que la Terre, Mars et Vénus possédant originellement une atmosphère très épaisse, nous pouvons donc supposer qu'il en était de même sur TRAPPIST-1. Mais les jeunes naines rouges émettent encore plus de rayonnements à haute énergie, de sorte que les atmosphères s'évaporeraient encore plus rapidement. Puisque TRAPPIST-1 est un peu plus vieille que le Soleil, âgée d'environ 8 milliards d'années, l'atmosphère qu'auraient pu avoir ses exoplanètes a probablement disparu depuis longtemps. Bien sûr, ce sont les résultats de simulations et non d'observations directes. Il est donc toujours possible qu'on découvre un jour que l'une de ces exoplanètes possède encore une atmosphère. Mais c'est peu probable. En résumé, le système TRAPPIST-1 dont tout le monde parle avec passion est-il hospitalier au point de mériter qu'on y débarque un jour ? Doit-il nous faire rêver ou faut-il plutôt l'oublier et trouver d'autres exoplanètes plus hospitalières ? Les auteurs estiment que le système TRAPPIST-1 n'est probablement qu'un ensemble de roches chaudes et sèches. Il est donc quasiment certain que même si l'homme en était capable, il n'y débarquera jamais. Et cela pourrait être vrai pour la plupart des autres systèmes abritant une naine rouge. Cela a des implications plutôt pessimistes sur la possibilité d'une vie extraterrestre dans de tels systèmes. Pour rappel, les naines rouges représentent environ 75% des étoiles de notre Galaxie, contre seulement 8% pour les étoiles semblables au Soleil. Si les naines rouges dépouillent l'atmosphère de leurs planètes, alors la plupart des systèmes exoplanétaires qui se comptent par milliards dans notre seule Galaxie n'abritent aucune vie. L'étoile de Teegarden fut découverte en 2003 par l'astrophysicien Bonnard Teegarden de la NASA au cours d'un programme de recherche des astéroïdes alors qu'il exploitait certaines données à la recherche d'étoiles naines proches et pâles qui avaient échappé à la détection. L'étoile de Teegarden se situe à 12.6 années-lumière dans la constellation du Bélier. Elle brille faiblement à la magnitude 17.2 en lumière bleu mais atteint la magnitude 10.4 en infrarouge où elle rayonne l'essentiel de son énergie, tout comme l'étoile du système TRAPPIST-1.
Cataloguée SO25300.5+165258, selon l'équipe de Cassy
L. Davison, Teegarden est une étoile naine rouge de type spectral M7.0 V,
c'est-à-dire située sur la Séquence principale, présentant une température
effective de seulement 2637 K, une masse d'à peine 0.09 M L'étoile de Teegarden ne mesurant que le tiers de la plus grosse exoplanète du système TRAPPIST-1, sa petite taille la rend idéale pour une caractérisation plus poussée. En 2019, l'équipe de Mathias Zechmeister de l'Université de Göttingen en collaboration avec des chercheurs de l'IAC annonça dans la revue "Astronomy & Astrophysics" la découverte probable de deux exoplanètes tempérées et rocheuses autour de l'étoile de Teegarden. Les deux exoplanètes furent détectées par la méthode de la vitesse radiale grâce à l'instrument CARMENES, un spectrographe proche IR et optique, installé sur le télescope de 3.5 m de l'observatoire espagnol de Calar Alto. Teegarden
b et c ont une masse de respectivement 1.05 et 1.11 M Teegarden b et c ont un indice ESI (Earth Similarity Index) de respectivement 0.94 et 0.8, faisant de Teegarden b l'exoplanète ayant l'indice ESI le plus élevé. Rappelons toutefois que le ESI n'est qu'une estimation et une pondération de paramètres différents peut entraîner une modification de sa valeur. Ainsi, actuellement l'indice ESI ne tient pas compte de la distribution spectrale de l'énergie émise par l'étoile ni de la composition atmosphérique planétaire qui en résulte, qui ont un effet sensible et parfois délétère sur l'habitabilité. On reviendra sur les caractéristiques de la zone habitable. Si la découvert est confirmée, sachant que les deux exoplanètes ont une masse presque identique à celle de la Terre et sont en orbite dans la zone habitable, leur surface pourrait contenir de l'eau à l'état liquide et donc peut-être des lacs, des rivières voire un océan. Sinon, ce sera un beau désert baigné dans une lumière rougeâtre.
L'étoile de Teegarden étant assez âgée, les astronomes estiment que les deux exoplanètes sont probablement aussi âgées, ce qui laissa amplement le temps à la vie de se développer, mais il faudra le prouver. Mais pour l'instant, ce système planétaire est remarquablement silencieux et l'étoile ne semble pas présenter de tremblements stellaires ni d'éruptions cataclysmiques comme en connait généralement ce type d'étoile. Ces facteurs ainsi que la proximité relative du système font de Teegarden une cible privilégiée pour les futurs télescopes de nouvelle génération qui seront construits dans le but de rechercher des signes de vie sur les exoplanètes évoluant dans la zone habitable de leur étoile. Plus d'une dizaine de candidates ont été déjà été sélectionnées. Cette fameuse étoile qui est citée dans plusieurs romans et films de science-fiction (Isaac Asimov, "Les Cavernes d'Acier", 1954; Larry Niven, "A Gift from Earth", 1968; Nicholas Meyer/Gene Roddenberry, "Star Trek II: La Colère de Khan", 1982, etc.) a fait rêver les romanciers mais la réalité est peut-être moins idyllique qu'on l'imagine.
Tau Ceti
est située à 11.9 années-lumière dans la constellation de la Baleine.
C'est une étoile jaune de magnitude apparente 3.5. C'est la 44e
étoile la plus proche du
Soleil et la 22e
si on ne compte que les étoiles brillantes (Mv < 14) et naines. C'est
une étoile solaire de type spectral G8 V qui présente une température effective
estimée à 5344 K, une masse d'environ 0.783 M Sa métallicité qui est un très bon indicateur de son évolution et de son âge indique un rapport [Fe/H] = -0.50 soit trois fois inférieur à celui du Soleil. Selon les modèles, Tau Ceti serait âgée d'environ 7.6 à 10 milliards d'années. C'est la première étoile vers laquelle l'équipe de Frank Drake dirigea un radiotélescope en 1960 dans le cadre du projet Ozma, donnant naissance au programme CETI, renommé plus tard SETI. Le 6 juillet 2004, Jane Greaves alors à l'Université de St Andrew et ses collègues utilisant l'instrument SCUBA (Submillimetre Common-User Bolometer Array) du Télescope James Clerck Maxwell de 15 m de diamètre du Joint Astronomy Center d'Hawaï ont détecté en infrarouge un disque de poussière relativement étendu et dense autour de l'étoile. Ce disque dont une image est présentée à gauche forme un anneau qui s'étend entre environ 10 et 55 AU sous une inclinaison de 60 à 90° par rapport à la ligne de visée de l'observateur. Il est donc plus étendu que la Ceinture de Kuiper du système solaire. Situé à bonne portée des instruments astronomiques, Tau Ceti a fait l'objet de nombreuses études depuis le lancement du télescope spatial Herschel en 2009 et peu après par l'installation du réseau submillimétrique ALMA opérationnel au Chili depuis 2011, ce qui a permis de cartographier le disque avec une résolution spatiale de 1" soit ~4 UA. Comme on le voit ci-dessous, à cette résolution on découvre que le disque comprend surtout des poussières chaudes et des débris froids provenant des collisions entre les comètes et les astéroïdes qui sont dix fois plus nombreux que dans le système solaire. Les
analyses ultérieures ont permis de découvrir 4 exoplanètes dans la
région interne de Tau Ceti dont b, c, d, e entre 0.10 et 0.55 UA et f à
1.35 UA. Actuellement, seules Tau Ceti e, f, g et h sont confirmées.
Leur masse varie entre 2.00 et 6.67 fois celle de la Terre. Parmi celles-ci,
Tau Ceti e (4.239 M
Si apparemment l'exoplanète Tau Ceti f paraît favorable à la vie, les modélisations infirment le bon sens. En effet, pour revenir à la métallicité de Tau Ceti dont les éléments chimiques se retrouvent dans son cortège planétaire avec des proportions qui dépendent de leurs interactions originelles avec le disque et de leur distance à l'étoile, on constate que le rapport [Mg/Si] = 1.78 soit 70% de plus que celui du Soleil (où [Mg/Si] = 1.05 à 1.22, cf. cet article). Ce rapport concerne les deux éléments les plus importants qu'on retrouve dans les roches terrestres. Une valeur élevée signifie que la minéralogie de ces exoplanètes est assez différente de celle de la Terre. Selon une étude publiée en 2015 par Michael Pagano en postdoc à l'Université d'Arizona et ses collègues, sachant que si Mg/Si ~ 2 le manteau est presque entièrement composé d'olivine minérale, (Mg, Fe)2SiO4, avec très peu ou pas du tout de pyroxène, (Mg,Fe)(Al,Si)O3, il est fort possible que les couches peu profondes du manteau de ces exoplanètes soient dominées par l'olivine et contiennent même de la ferropériclase, (Mg, Fe)O, un minéral qui domine dans le manteau inférieur de la Terre (entre 700-3000 km de profondeur). Sachant que la ferropériclase est beaucoup moins visqueuse et donc plus fluide et s'écoule facilement, le magma du manteau devrait se déplacer plus facilement, avec des conséquences peut-être importantes sur le volcanisme et la tectonique à la surface de ces astres, de tels processus ayant déjà un impact significatif sur l'habitabilité sur Terre. Le monde qui en résulte pose des défis pour le développement de la vie et certainement pour sa détection (indice DI et biosignatures). Selon les chercheurs, le cycle géochimique est sans doute plus rapide sur Tau Ceti f en particulier que sur Terre et pourrait entraver la formation de molécules organiques à partir des composés atmosphériques. Sang-Heon Shim qui participa à cette étude souligne que "cela nous rappelle que les processus géologiques sont fondamentaux pour comprendre l'habitabilité d'une planète".
De plus, selon les modèles planétaires étudiés par Pagano, au cours de l'évolution de Tau Ceti, comme ce fut le cas dans le système solaire (cf. la migration planétaire), à mesure que l'étoile est devenue plus lumineuse, l'exoplanète f s'est déplacée vers la zone habitable, un processus qui remonte à moins d'un milliard d'années. Si en soit c'est très loin dans le passé, c'est très récent en terme d'évolution cosmique. En effet, rappelons que sur Terre la vie est apparue il y a moins de 4 milliards d'années et il fallut attendre 2 milliards d'années pour que l'atmosphère crée des conditions viables détectables depuis l'espace (oxygène, plancton, végétation, etc.). En résumé, les deux exoplanètes évoluant dans la zone habitable de Tau Ceti pourraient être habitables, mais peu susceptibles de produire des signes de vie détectables dans leur atmosphère. La vie ne serait pas nécessairement absente, mais la détection nécessiterait une étude approfondie de leur évolution planétaire. On ne sera donc pas étonné que les conclusions des astronomes sont pessimistes quant aux conditions éventuelles de vie sur l'une de ces exoplanètes, ce que confirma Fabo Feng de l'Université de Hertfordshire et son équipe dans une nouvelle étude publiée en 2017. Dans un article publiée dans les "Astrophysical Journal Letters" en 2023 (en PDF sur arXiv), l'astronome Nikku Madhusudhan de l'Institut d'astronomie de l'Université de Cambridge et ses collègues ont profité du transit de l'exoplanète K2-18 b devant son étoile hote pour analyser son atmosphère grâce au télescope James Webb (JWST).
K2-18 b est une mini-Neptune peut-être rocheuse qui gravite autour d'une étoile naine rouge située dans la constellation du Lion, à environ 120 années-lumière du Soleil. L'exoplanète est 8.6 fois plus massive que la Terre. Elle fait partie des exoplanètes le plus couramment détectées dans la Voie Lactée. K2-18 b fait l'objet d'études approfondies depuis que les planétologues ont annoncé en 2019 avoir détecté des traces potentielles de vapeur d'eau dans son atmosphère. Une étude ultérieure portant sur les mêmes données suggéra que ces traces pourraient en réalité être du méthane. Puis en 2023, le JWST fut pointé vers cette exoplanète et détecta des molécules carbonées, notamment de méthane et de dioxyde de carbone. Or, ces molécules sont des biosignatures. Elles suggèrent que K2-18 b pourrait avoir une atmosphère riche en hydrogène et une surface recouverte d'eau comme par exemple un océan. Ces caractéristiques pourraient potentiellement être les signes que cette exoplanète est susceptible de supporter la vie. Parmi les observations faites par le JWST figurait la détection probable de sulfure de diméthyle (ou diméthylsulfure alias DMS, (CH3)2S), qui sur la Terre est uniquement produit par la vie. En effet, la majorité du DMS existant dans l'atmosphère terrestre est émis par le phytoplancton présent dans les océans. Mais selon les planétologues de la NASA, la détection de DMS dans l'atmosphère de K2-18 b est "moins robuste" que d'autres découvertes et nécessite une analyse plus approfondie. Selon Madhusudhan, "les prochaines observations du JWST devraient pouvoir confirmer si le DMS est effectivement présent dans l'atmosphère de K2-18 b à des niveaux significatifs." Toutefois, selon les planétologues, l'abondance de méthane et de dioxyde de carbone détectée dans l'atmosphère de K2-18 b, ainsi que la faible abondance d'ammoniac suggèrent qu'il pourrait s'agir d'une exoplanète hycéane : elle serait partiellement ou totalement recouverte par un océan d'eau sous une atmosphère riche en hydrogène. Si ce genre d'astre n'existe pas dans le système solaire ni même dans les systèmes planétaires les plus proches, les planétologues estiment qu'elles sont communes autour des étoiles naines rouges.
Selon Madhusudhan, "nos résultats soulignent l'importance de prendre en compte la diversité des environnements habitables dans la recherche de la vie extraterrestre. Traditionnellement, la recherche de vie sur les exoplanètes s'est concentrée principalement sur les planètes rocheuses plus petites, mais les mondes hycéens plus grands sont nettement plus propices aux observations atmosphériques." K2-18 b est particulièrement intéressante car elle se trouve dans la zone habitable de son étoile hôte. Mais les planétologues de la NASA prédisent cependant que malgré la composition apparente de son atmosphère et sa proximité de son étoile, la taille de l'exoplanète signifie que son intérieur contient probablement un vaste manteau de glace à haute pression, comme Neptune, mais avec une atmosphère plus mince, riche en hydrogène et un surface océanique. Mais il est également possible que l'océan soit trop chaud pour être habitable ou pour être liquide. A l'avenir les auteurs vont mener des recherches de suivi avec le spectrographe MIRI (Mid-Infrared Instrument) du JWST pour tenter de valider davantage leurs résultats et obtenir de nouvelles informations sur les conditions environnementales régnant sur K2-18 b. Ceci termine la revue des exoplanètes les plus intéressantes et les plus documentées. Nous passerons néanmoins en revue d'autres types d'exoplanètes dans les pages suivantes, y compris quelques cas particuliers. Nous avons vu à propos de Proxima b que la relation masse-rayon permet d'évaluer certaines propriétés physiques des exoplanètes et de considérer par exemple que les planètes rocheuses sont plus plus petites que les planètes gazeuses. Or une étude publiée en 2016 a balayé ce principe évidemment posé a priori. C'est l'objet du prochain chapitre. Prochain chapitre
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(seule TRAPPIST-1 c est un peu plus grande que la Terre) évoluent très près
de leur étoile, entre 0.011 et 0.06 UA (contre 0.357 UA pour Mercure).
De ce fait, en vertu des lois de Kepler, leur période de révolution est très rapide,
variant entre 1.5 et 20 jours seulement contre 1 an pour la Terre et 88 jours pour Mercure.
ou environ 79300 km, soit à peine 12 fois le rayon de la Terre et 12% de
plus que Jupiter.
