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A la recherche des exoplanètes

Le système de Tatooine. Document T.Lombry.

Systèmes planétaires particuliers (V)

À côté des systèmes planétaires "classiques" si ce terme a un sens, c'est-à-dire comprenant des planètes rocheuses ou gazeuses sans activité particulière en orbite autour d'une seule étoile de type solaire, il existe des configurations planétaires ou des exoplanètes présentant des caractéristiques plus étranges ou inattendues.

En voici quelques exemples parmi lesquels des exoplanètes dont l'atmosphère s'évapore à un taux élevé (Osiris, GJ 436b, etc), des systèmes protoplanétaires binaires (Tau Bootis, V4046, etc), une planètes orpheline (CFBDSIR J214947.2-040308.9) et même des planètes découvertes dans un quasar.

1. Le dernier souffle d'oxygène d'Osiris

L'exoplanète HD 209458B a surpris les astronomes. Découverte en 2003 dans la constellation de Pégase grâce au Télescope Spatial Hubble par Alfred Vidal-Madjar et son équipe de l'Institut d'Astrophysique de Paris (IAP), de l'oxygène ainsi que du carbone ont été découverts dans son atmosphère, s'évaporant à un taux si élevé qu'on peut pratiquement dire qu'elle consomme ses dernières bouffées d'oxygène.

HD 209458B est la première exoplanète découverte alors qu'elle transitait devant son étoile et c'est également la première exoplanète ayant une atmosphère détectable.

Pour distinguer cette extraordinaire planète de ses condisciples, les astronomes l'ont surnommée "Osiris". Rappelons qu'Osiris est le dieu égyptien de la lumière qui perdit une partie de son corps, à l'instar de HD 209458B, après que son frère Set, le dieu à face de chacal, l'ait tué et coupé en morceaux pour l'empêcher de revivre. On reparlera de cette légende à propos de la constellation d'Orion.

Osiris orbite autour d'une étoile de type solaire (classe G5) à une distance de 6.6 millions de km seulement, ce qui représente 1/8e de la distance séparant Mercure du Soleil. Elle boucle sa révolution orbitale en... 3.5 jours seulement ! Vue de la Terre, lors d'un transit son disque couvre 15% de la surface de l'étoile et réduit son éclat d'environ 1.5%, provoquant un "dip" (déclivité) spectaculaire comme on peut le voir sur la courbe lumineuse présentée ci-dessous comparée à celle qu'aurait une planète terrestre à la même échelle (en bleu).

Le diamètre d'Osiris est estimé à 1.35 fois le rayon de Jupiter mais son atmosphère s'étend jusqu'à 4.5 rayons de Jupiter ! En effet, située si près de son étoile, les gaz atmosphériques de l'exoplanète sont fortement chauffés et se dilatent. Etant donné qu'Osiris présente toujours la même hémisphère face à l'étoile, les gaz n'ont pas d'autre voie de sortie que de s'élever vers le sommet un peu plus froid de l'atmosphère où ils sont entraînés vers l'hémisphère plongée dans l'obscurité.

A gauche, courbe lumineuse de l'étoile HD209458 Pegasi obtenue par le HST et analysée par l'équipe de Timothy Brown. Le "dip" (la déclivité, le creux) de 1.5% est typique du transit d'une exoplanète géante. A titre de comparaison, en bleu on a représenté le dip qu'aurait provoqué une planète de la taille de la Terre. A droite, représentation artistique de l'exoplanète HD 209458B, alias Osiris qui gravite à 6.6 millions de km seulement de l'étoile. Elle gravite si près de l'étoile qu'elle s'évapore littéralement sous sa chaleur et l'intensité de son rayonnement. Sa surface est portée à environ 1000°C. Son rayon vaut 1.35 fois celui de Jupiter mais son atmosphère s'étend jusqu'à 4.5 rayons de Jupiter. Documents PlanetQuest et T.Lombry.

Très agités et très chauds, ces gaz s'échappent de l'atmosphère comme des tourbillons de poussière à une vitesse supersonique de l'ordre de 3 à 4000 km/h et un taux énorme estimé à au moins 10000 tonnes d'hydrogène par seconde.

Un nuage d'oxygène et de carbone entoure également l'exoplanète formant une enveloppe ellipsoïdale en forme de ballon de rugby qui s'étend sur 200000 km.

Bien que l'oxygène soit un indicateur possible de la vie, si la possibilité de trouver de la vie sur Osiris semble excitante, il faut rappeler que ce n'est pas une grande surprise en soit car l'oxygène est également présent dans les planètes géantes de notre système solaire, comme Jupiter et Saturne. Ce qui est en revanche plus étonnant c'est de trouver des atomes d'oxygène et de carbone dans une enveloppe aussi étendue autour de cette exoplanète.

Sur Jupiter ou Saturne, ces éléments sont toujours combinés au méthane et à l'eau présents dans les couches profondes de l'atmosphère. Dans HD 209458B les produits chimiques se sont décomposés en éléments simples. Sur Jupiter ou Saturne, même dissociés, ces éléments demeurent dans les profondeurs de l'atmosphère et sont indétectables depuis la Terre. Le fait qu'ils soient détectables dans l'atmosphère supérieure de HD 209458B confirme que son atmosphère subit une évaporation intense similaire à un pompage sous vide. Ce phénomène est provoqué par le fait qu'Osiris gravite si près de son étoile qu'elle rôtit et se consume au point que sa surface est portée à environ 1000°C !

Du fait que le mécanisme d'évaporation est si distinctif, les astronomes ont proposé une nouvelle classe de planètes extrasolaires baptisées les "planètes chthoniennes", par référence au dieu grec Khtôn, dieu des Enfers (la racine est également utilisée en français dans le mot "autochtone"), allusion au fait que son atmosphère se vide totalement de ses gaz et s'évapore dans l'espace.

Les planètes chthoniennes seraient donc constituées de noyaux contenant les résidus d'exoplanètes gazeuses géantes évaporées orbitant très près de leur étoile, comme Osiris. La détection d'exoplanètes similaires devrait bientôt se poursuivre au moyen de télescopes interférométriques terrestres ou placés dans l'espace.

2. Un nuage cométaire dans le sillage de Gliese 436b

Après Osiris, 51 Pegasis, Gliese 436b présente un phénomène d'évaporation similaire. En effet, le 25 juin 2015, la revue "Nature" annonça la découverte grâce au Télescope Spatial Hubble et l'observatoire orbital rayons X Chandra d'un nuage d'hydrogène dans le sillage de GJ 436b, une exoplanète de la taille de Neptune (23 fois la taille de la Terre) orbitant autour d'une étoile naine rouge (M2.5) de magnitude 11 située à 33 années-lumière. Ce système contient 3 exoplanètes.

L'intense rayonnement UV de l'étoile proche dissipe l'hydrogène de l'exoplanète qui forme un long nuage bleu en spirale qui ressemble à celui d'une comète. La combinaison d'une relative petite exoplanète et d'un nuage d'hydrogène aussi massif rend Gliese 436b spectaculaire et unique en son genre.

Selon David Ehrenreich de l'Observatoire Astronomique de l'Université de Genève et auteur responsable de cette découverte, bien que cette évaporation ne menace pas l'exoplanète, l'étoile naine était plus active par le passé. Cela signifie que le taux d'évaporation de l'atmosphère de cette exoplanète était plus élevé durant les premiers milliards d'années de son existence. Selon les scientifiques, GJ 436b aurait ainsi perdu jusqu'à 10% de son atmosphère.

Simulations du nuage exosphérique s'échappant de l'exoplanète GJ 436b. A gauche, aspect du nuage cométaire tel qu'on peut l'observer depuis la Terre (HST). L'exopanète est le petit point noir à mi-transit à 0.8521 R* du centre de l'étoile représenté par le grand cercle noir. Le cercle en pointillé représente la limite de Roche tandis que les couleurs représentent la densité logarithmique du nuage d'hydrogène. Celui-ci s'échappe à plus de 26 km/s. Au centre, une vue polaire de la simulation tridimentionnelle. Les flèches représentent la vitesse et la direction des atomes d'hydrogène. A droite, une représentation artistique du phénomène. Le nuage présente une forte absorption dans la partie bleue du spectre (raie Lyman-alpha). Documents David Ehrenreich et al. et T.Lombry.

Les scientifiques pensent que cette queue cométaire est pratiquement restée intacte durant tout ce temps car l'étoile naine rouge est relativement froide et n'émet pas suffisamment de rayonnements pour disperser le nuage.

Les calculs indiquent que l'exoplanète libère 1000 tonnes d'hydrogène par seconde, ce qui représente 0.1% de sa masse totale tous les milliards d'années. On peut donc estimer que d'autres explanètes dans le même cas libèrent des gaz à un taux bien plus rapide.

La découverte d'un processus si intense d'évaporation est, selon les scientifiques, "fort peu commun", mais peut indirectement confirmer les théories de la formation de notre propre planète et permettre d'affiner le modèle des exoplanètes de la taille de Neptune.

Mieux encore qu'une étoile en orbite autour d'un astre effondré, ces quelques découvertes permettent d'observer directement une évasion hydrodynamique de matière.

Selon Vidal-Madjar, on a spéculé sur le fait que Vénus, la Terre et Mars auraient perdu leur atmosphère primitive au début de leur formation. Leur atmosphère actuelle aurait été reconstituée suite aux impacts des astéroïdes et des comètes ainsi qu'au dégazage du sol. Ces découvertes apportent une nouvelle bouffée d'oxygène... aux astronomes.

3. La planète orpheline

En 2012, l'ESO rapporta la découverte par une équipe internationale d'astronomes d'une planète errante nommée CFBDSIR J214947.2-040308.9, qui semble faire partie d'un courant de jeunes étoiles proches connu sous le nom de groupe en mouvement AB Doradus (ABDMG).

Les chercheurs ont découvert cet astre grâce au Télescope Canada France Hawaï (CFHT) et ont également eu recours au NTT et à la puissance du VLT de l'ESO pour étudier ses propriétés.

AB Doradus est l'amas stellaire le plus proche du système solaire. Il se situe à environ 65 années-lumière (45-100 a.l) et est constitué d'une trentaine d'étoiles se déplaçant à environ 28 km/s. Sur le plan de l'évolution stellaire, ce sont de petites étoiles jeunes (0.8 à 0.09 M) âgées entre 50 et 150 millions d'années, de classe spectrale K et M (orangée, rouge) se situant sur la pré-Séquence principale. Elles se déplacent ensemble dans l'espace et on suppose qu'elles se sont formées à la même époque.  L'objet découvert se situe aux limites de cet amas, à environ 100 années-lumière.

Il subsiste toutefois une petite probabilité pour que l'association avec ce groupe en mouvement soit fortuite et liée à un effet de perspective. Si l'objet est associé à ce groupe stellaire, il est possible de déduire bien plus d'informations. D'ores et déjà les relevés effectués au télescope Keck et au NTT de l'ESO indiquent que l'astre est bien trop petit pour être une étoile naine brune. Il serait 4 à 15 plus massif que Jupiter et présenterait une température superficielle inférieure à 100°C.

A voir : Rogue Planet Has No Parent Star

A gauche, devant l'amas globulaire Terzan 5 se profile l'objet CFBDSIR J214947.2-040308.9 découvert en 2012 dans le groupe en mouvement AB Doradus (ABDMG). L'astre se situe à environ 100 a.l. et serait âgé entre 50 et 120 millions d'années. Présentant une masse comprise entre 6-15 Mj et une température superficielle inférieure à 100°C, il s'agirait d'une exoplanète orpheline (sans étoile) ou plus vraisemblablement d'une étoile naine brune de type T associée au courant stellaire du groupe ABDMG. Son atmosphère contient du méthane et de l'eau. A droite, le système Tau Bootis situé à 49 a.l. est constitué d'une étoile blanche (F7 V) de 1.3 Ms autour de laquelle gravitent deux astres : une exoplanète de 4.3 Mj de classe "hot Jupiter" gravitant à 0.046 UA seulement ainsi qu'une petite étoile naine rouge (Tau Bootis b) de 0.4 Ms gravitant à 245 UA. D'autres illustrations sont présentées dans la page "Alien worlds". Documents T.Lombry.

L'absence d'étoile brillante près de cet astre permet également aux astronomes d'étudier son atmosphère en détails. Des études de spectroscopie ont déjà permis d'identifier du méthane et de l'eau (sous forme gazeuse). On ignore encore si l'objet est réellement une planète errante ou s'il ne s'agit pas plutôt d'une étoile naine brune de type T (Tp < 900°C), explication plus plausible. Le lien entre cet objet et le groupe en mouvement est l'élément clé qui permet aux astronomes de déterminer l'âge de cet astre estimé entre 50 et 120 millions d'années.

Il s'agit du premier objet de masse planétaire isolé au sein d'un groupe stellaire en mouvement et son association avec ce groupe en fait l'exoplanète solitaire potentielle la plus intéressante identifiée à ce jour.

4. Un disque moléculaire autour de l'étoile double V4046

Jusqu'à présent nous avons toujours discuté d'étoiles isolées entourées de planètes ou d'un anneau de poussières. Or ce que l'on croyait peu probable voire inexistant a été découvert en 2009 : le système binaire V4046 Sagitarii est entouré d'un disque moléculaire en rotation. En effet, comme on le voit ci-dessous à gauche, l'interféromètre SMA (Submillimeter Array) de l'Observatoire d'Astrophysique du Smithsonian (CfA/SAO) a révélé la présence d'un disque moléculaire en rotation autour du jeune système binaire dont on voit une représentation artistique ci-dessous à droite.

A gauche, image radiointerférométrique de l'anneau entourant le système V4046 Sag priuse par le réseau SMA du CfA. A droite, illustration du système V4046 Sag vu depuis un hypothétique astéroïde distant. Document David A. Aguilar/CfA.

Selon l'astronome David Rodriguez aujourd'hui à l'Université du Chili et spécialisé dans l'astronomie stellaire, l'anneau entourant V4046 représente une quantité de matière d'au moins 50 masses terrestres.

Les astronomes ont déjà répertorié des anneaux protoplanétaires autour de systèmes stellaires binaires. Mais les étoiles de ces systèmes étaient très éloignées les unes des autres, de 20 à plusieurs centaines de fois la distance qui sépare la Terre du Soleil.

Dans le cas de V4016, les deux étoiles ne sont séparées que de 5983920 km, soit 1/10e de la distance qui sépare Mercure du Soleil. Pour Rodriguez, cette découverte suggère que des planètes peuvent tout aussi facilement se former autour d'étoiles doubles qu'autour d'étoiles simples comme le Soleil. En corollaire, cette nouvelle preuve augmente drastiquement le nombre potentiel de planètes pouvant exister hors de notre système solaire, sachant qu'une étoile sur deux est agencée en système binaire ou multiple, rendant les possibilités de vie ailleurs dans l'univers encore plus nombreuses.

Finalement la science-fiction comme par exemple la planète Tatooine à deux soleils de "Star Wars" n'est peut-être pas très éloignée de la réalité... Disons même qu'un jour, la réalité dépassera la fiction.

5. Des exoplanètes en dehors de la Galaxie

Début 2018, pour la première fois des astronomes ont découvert des exoplanètes dans une autre galaxie. L'astrophysicien Xinyu Dai de l'Université d'Oklahoma et le postdoctorant Eduardo Gerras ont annoncé dans les "Astrophysical Journal Letters" (en PDF sur ArXiv) avoir détecté grâce aux données de l'observatoire spatial X Chandra de la NASA plusieurs exoplanètes dans le quasar RXJ1131-1231 grâce aux effets d'une lentille gravitationnelle produisant quatre images autour d'une galaxie dont on voit une photo ci-dessous à gauche.

Ce quasar présente un redshift z=0.295 et se situe à 3.8 milliards d'années-lumière. Ce quasar n'est pas inconnu car en 2010, Dai et ses collègues avaient déjà étudié cet AGN et découvert qu'il abritait un trou noir supermassif d'au moins 100 millions de masses solaires mesurant ~190 millions de kilomètres de rayon soit 1.28 UA.

C'est grâce à un effet de microlensing gravitationnel que Dai et son collègue ont pu détecter ces planètes car la lentille gravitationnelle seule ne permet pas de détecter ces petits astres beaucoup plus pâles que les étoiles. A ce jour, une cinquantaine d'exoplanètes furent découvertes dans notre Galaxie par cette technique mais c'est la première fois qu'on l'applique avec succès dans une galaxie extérieure.

A gauche, photographie d'une lentille gravitationnelle générant 4 images d'un quasar distant nommé RJX1131-1231 autour d'une galaxie (en orange, au centre). A droite, un hypothétique système planétaire évoluant quelque part dans cette galaxie. Documents NASA/CXC, U.Michigan, STScI et T.Lombry.

Pour réaliser cette découverte qui est avant tout une prouesse technique alliant des télescopes et des programmes d'analyses très puissants, les chercheurs ont analysé les caractéristiques du microlensing dans les images numériques (analyse des hautes fréquences des signatures) et les caractéristiques des fluctuations d'énergie des émissions FeKα (émissions X typiques d'un AGN mais fluctuant de 30% entre ~5-8 keV), signatures qu'ils ont ensuite modélisées et comparées aux caractéristiques d'autres AGN avec et sans lentilles gravitationnelles pour aboutir à la seule conclusion possible : seule la présence de corps planétaires (organisés en systèmes ou sous forme de planètes errantes) peut expliquer les hautes fréquences et les fluctuations d'énergie observées.

Les chercheurs ont pu déterminer que la masse planétaire est supérieure à 0.0001 fois celle de la masse du halo, ce qui équivaut à 2000 objets dont la masse est comprise entre celle de la Lune et de Jupiter pour chaque étoile de la Séquence principale.

Cette découverte a évidemment réjouit les astronomes et est très encourageante car elle confirme que même s'il est impossible d'observer directement les exoplanètes extragalactiques, on peut utiliser la technique du microlensing et détecter des exoplanètes jusqu'à plusieurs milliards d'années-lumière !

Enfin, pour mémoire rappelons qu'il existe au moins 13 pulsars escortés d'une ou plusieurs exoplanètes (par ex. PSR B1620-26, PSR 1257+12 et PSR 1719-14) et plusieurs systèmes exoplanétaires sont entourés d'un anneau de débris dont le progéniteur est généralement une étoile naine blanche.

Quelques exoplanètes sous la loupe

  

Le système exoplanétaire HR 8799 situé dans Pégase à environ 129 années-lumière est constitué de 4 exoplanètes géantes gravitant autour d'une étoile variable de type kA5V λ Bootis appauvrie en fer. Les 4 exoplanètes (b,c,d,e) ont respectivement une masse d'environ 7 Mj, 10 Mj, 10 Mj et 9 Mj avec une incertitude de 30-40%. La plus proche gravite à 14.5 UA, la plus éloignée à 68 UA de l'étoile. Le système présente également un disque de débris vers 75 UA et un halo de poussières qui s'étend jusqu'à 1500 UA. C'est l'un des rares systèmes (avec Fomalhaut b et Bêta Pictoris b) où on a pu observer directement la révolution des exoplanètes au télescope. Voir aussi la vidéo sur YouTube réalisée grâce au télescope Keck d'Hawaii équipé d'une optique adaptative. Document Christian Marois/NRCC animé par Jason Wang/NExSS.

  

L'exoplanète HD 131399Ab (près du centre) a été découverte par imagerie directe en 2016 grâce au VLT. L'astre se situe à environ 320 années-lumière dans la constellation du Centaure et appartient à un système qui ne ressemble à rien de connu. En effet, l'exoplanète évolue sur une orbite très excentrique à 80 UA de son étoile et appartient à un système comprenant 3 soleils dont voici une illustration des orbites. Le fait qu'elle subsiste malgré la forte instabilité de son orbite en fait un cas exceptionnel. L'exoplanète est âgée de 16 millions d'années seulement. Sa température de surface est d'environ 580°C et sa masse est estimée à 4 Mj. Voir aussi la vidéo HD sur YouTube. Document T.Botti et al./ESO.

  

L'étoile de type T-Tauri CVSO 30 et son exoplanète de taille jovienne CVSO 30b découverte en 2012 et photographiées en 2016 grâce au VLT de l'ESO. L'étoile de type spectral M3 est située à 1200 a.l. et appartient au groupe 25 Orionis proche de la Ceinture d'Orion. Ce système comprend deux exoplanètes, CVSO 30b de 6.2 Mj orbitant à 660 UA de l'étoile et CVSO 30c de 4.7 Mj gravitant à 0.008 UA. Document Schmidt et al./ESO.

  

L'étoile HIP 65426 située à 385 a.l. dans la constellation du Centaure autour de laquelle gravite l'exoplanète HIP 65426b. Elle fut découverte en 2017 grâce au coronographe de l'instrument SPHERE du VLT de l'ESO. L'étoile de type spectral A2 est âgée de seulement 14 millions d'années mais n'est pas entourée d'un disque. Elle fait partie de l'association stellaire Centaurus-Crux née il y a 17 millions d'années. L'exoplanète est une "hot Jupiter" dont la température effective superficielle varie entre 1027-1327°C pour un rayon compris, selon les modèles, entre 1.0-1.5 Mj. Elle disposerait d'une atmosphère épaisse composée de poussières et de nuages. Elle gravite à 92 UA (séparation de 0.84" ou 840 mas) de son étoile, soit 3 fois la distance de Neptune au Soleil, ce qui est assez inhabituel pour une exoplanète géante. Document G.Chauvin et al./ESO.

  

Une image composite réalisée en septembre 2004 par l'équipe de Gael Chauvin de l'ESO avec le VLT montrant l'une des étoiles de l'association stellaire TW Hydrae située à 230 a.l. dans la constellation du Centaure autour de laquelle gravite une étoile naine brune baptisée 2M1207-39b. Il s'agit en fait d'une "hot Jupiter" dont la température effective superficielle (selon les modèles) est de 1327°C. Sa masse est d'environ 4 Mj et est âgée de 8 millions d'années. La séparation angulaire est de 800 mas, soit 0.8" ou 8.25 milliards de km, soit environ deux fois la distance de Neptune au Soleil. Document G.Chauvin et al./ESO.

  

L'étoile HR 8799 située à 129 a.l. dans la constellation de Pégase et l'une de ses 4 exoplanètes massives HR 8799b découvertes en 2008 et photographiées ici en 2010 grâce au VLT de l'ESO. L'étoile de type spectral kA5 et 1.47 fois plus massive que le Soleil est sur la Séquence principale mais est encore entourée d'un disque de débris. L'exoplanète HR 8799b est une "hot Jupiter" d'une masse d'environ 10 Mj. Selon les modèles, sa température superficielle est supérieure à 800°C. Document M.Janson/ESO.

  

L'exoplanète OGLE-235/MOA-53 fut découverte le 22 juin 2003 à environ 17000 années-lumière dans la constellation du Sagittaire. C'est l'une des rares exoplanètes découverte par l'effet d'un micro-lensing gravitationnel agissant comme une loupe.

La masse de l'exoplanète est d'environ 2.6 Mj et gravite à une distance d'environ 5.1 UA de son étoile. Document I.Bond et al. Lire aussi l'article du JPL.

Pour découvrir des exoplanètes telluriques les astronomes comptent beaucoup sur les observatoires spatiaux. Car découvrir une poignée d'exoplanètes de la taille de Neptune est une proportion qui ne reflète certainement pas la réalité car nos moyens d'investigation nous limitent actuellement à la recherche de planètes géantes similaires à Jupiter, les planètes à l'image de la Terre restant une exception. En effet, ces petites exoplanètes sont inaccessibles aux télescopes terrestres actuels car leur taille réside en deçà de la résolution des instruments. Aussi le lancement d'ici quelques années de télescopes spatiaux interférométriques risque de bouleverser notre tableau. On peut également éventuellement compter sur des phénomènes de microlensing naturels qui permettraient, comme en 2003 avec OGLE-235 présentée ci-dessus de découvrir des exoplanètes sous la loupe d'une masse obscure située à l'avant-plan.

Cela nous conduit à examiner la probabilité de trouver des exoplanètes viables et de passer en revue les moyens d'observations actuels et futurs. C'est l'objet du dernier chapitre.

Dernier chapitre

Les chances de trouver des exoplanètes viables

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