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A la recherche des exoplanètes

L'exoplanète 16 Cygni B est en orbite très elliptique autour d'une étoile solaire G5 autour de laquelle gravite également un soleil de classe G2. Document T.Lombry.

Les chances de trouver des exoplanètes viables (VI)

Une évaluation de la NASA indique que la mission Kepler qui débuta en 2009 dans le cadre du programme Discovery devrait découvrir 50 exoplanètes terrestres si la plupart d'entre elles sont de la taille de la Terre, 185 exoplanètes si leur taille est 30% plus grande que celle de la Terre et 640 si elles sont deux fois plus grandes que la Terre ! En outre, on s'attend à ce que Kepler trouve quelque 900 exoplanètes géantes gravitant à courte distance des étoiles (< 1 UA) et environ 30 exoplanètes géantes orbitant à la même distance que Jupiter (5 UA) de leur étoile hôte.

Enfin, selon une estimation faite en 2011 à partir des données de Kepler, la Voie Lactée pourrait abriter un milliard d'exoplanètes ! Finalement le titre de cet article n'était pas si mal choisi.

Ce résultat tient compte de la technologie actuelle, en utilisant un télescope de petit diamètre équipé de photomètre et de CCD. Imaginez le résultat auquel on peut s'attendre le jour où le premier hypertélescope sera opérationnel dans l'espace; les cartes du ciel seront constellées d'exoplanètes !

Sans oublier que la méthode spectrométrique des vitesses radiales peut toujours aider l'astronome lorsqu'il est impossible de distinguer optiquement l'exoplanète ou de mesurer l'extinction lumineuse de l'étoile.

Mais quel serait le résultat si des astronomes d'une lointaine planète étudiaient le jeune système solaire d'il y a 4.5 milliards d'années ? Y découvraient-ils les signes précurseurs de la Terre récemment formée à partir du disque d'accrétion entourant cette jeune étoile jaune ? Pour les astronomes américains Scott Kenyon du SAO et Benjamin Bromley de l'Université de l'Utah, la réponse est oui indubitablement. Leur modèle numérique indique que nous pouvons utiliser les mêmes repères pour localiser des exoplanètes de la taille de la Terre qui seraient actuellement en formation, des jeunes mondes qui, un jour, accueilleront peut-être une vie complexe.

La clé qui nous permettrait de trouver des exoplanètes nouvellement nées consiste non pas à rechercher la planète elle-même, mais l'anneau de poussière autour de l'étoile qui est en quelque sorte l'empreinte digitale de la planète en cours d'accrétion. Selon Kenyon "s'il y a un anneau de poussières, il y a une planète". Et de fait, c'est en photographiant le disque de poussière entourant Fomalhaut avec le Télescope Spatial Hubble qu'une exoplanète fut découverte en 2008.

A lire : Le télescope Hubble a observé une exoplanète (sur le blog, 2008)

A gauche, planétogonie du système solaire : des planétésimaux aux planètes avec en périphérie l'interaction d'une planète avec le disque protoplanétaire. lllustration de l'Université de Potsdam. A droite, illustration par David A. Hardy du disque protoplanétaire entourant l'étoile Fomalhaut des Poissons. Ce disque s'étend sur environ 160 UA autour de l'étoile et est constitué de grains de poussière assez grands mesurant entre 10 et 100 microns et probablement des planètes naines. Il contient au moins une exoplanète en formation, Fomalhaut b dont la découverte fut confirmé en 2008. Voici une photographie du disque prise en 2005 par le HST en lumière visible et colorisée pour analyse.

Bien que les planètes soient communes dans l'univers, il est difficile de les détecter car elles brillent trop faiblement par rapport à la luminosité de l'étoile toute proche. Aussi pour les détecter les astronomes cherchent des preuves indirectes de leur existence. Nous avons vu qu'une fois l'exoplanète formée on peut détecter son influence gravitationnelle sur le mouvement de l'étoile hôte. Mais dans les jeunes systèmes exoplanétaires, cette trace n'existe pratiquement pas ou le système est pratiquement opaque, et la solution consiste à détecter le disque protoplanétaire lui-même et la manière dont la planète en cours de formation affecte la circulation du disque de poussière.

Les exoplanètes aussi massives que Jupiter possèdent une forte pesanteur. Cet effet affecte fortement le disque protoplanétaire. Une planète de la taille de Jupiter peut dégager un espace circulaire de plus d'un million de kilomètres de diamètre dans le disque d'accrétion, déformant localement le disque ou créer une série d'anneaux concentriques de poussière comme une pierre jetée dans l'eau. La présence d'une planète géante peut donc expliquer les ondes de matière ainsi que la cavité plus froide que l'on observe dans le disque d'accrétion âgé de 350 millions d'années qui entoure l'étoile Véga.

Modélisation (en haut) et observation submillimétrique (en bas) du disque d'accrétion entourant Véga (gauche) et ε Eridani (à droite) en présence d'une exoplanète de 2 Mj. Document NASA/GSFC, George Mason University, Joint Astronomy Center (Hawaii) et SCUBA/UKACT adaptés par l'auteur.

Les images présentées à gauche comparent le nouveau modèle numérique (en haut) aux observations de disques de poussière protoplanétaires (en bas). La simulation montre l'aspect du disque s'il contenait une planète deux fois plus massive de Jupiter gravitant à 8 milliards de km de Véga (à gauche). Les fausses couleurs représentent les émissions micro-ondes émises par la poussière chaude (rouge) et froide (bleu). L'étoile centrale et le carré noir représentent respectivement la position de l'étoile et de la planète. Selon ce modèle, la poussière forme deux zones brillantes de chaque côté de Véga en raison de l'infuence gravitationnelle de la planète.

L'image inférieure gauche présente l'aspect réel du disque d'accrétion de Véga tel qu'enregistré en rayonnement submillimétrique au télescope James Clerk Maxwell d'Hawaii équipé d'une "caméra" micro-ondes SCUBA (Sub-Millimeter Common User Bolometer Array). A droite, une image du disque de poussière entourant ε Eridani. Le système d'Eridani est constitué de deux exoplanètes, l'une de 0.86 Mj située à 3.3 UA, l'autre plus incertaine de 0.1 Mj et gravitant à quelque 40 UA de l'étoile. Il se serait formé voici 500 millions à 1 milliard d'années. Il ressemble très fort au système de Véga ou à celui de Fomalhaut. Voici une image du disque de poussière capturé par la Terre simulé de la même manière. Elle fut publiée en 1994 par Dermott dans la revue "Nature".

Les petites exoplanètes de la taille de la Terre possèdent une pesanteur plus faible et affectent donc le disque protoplanétaire plus faiblement, ne laissant que des traces subtiles de leur présence. Plutôt que de rechercher les déformations ou les "sillages", les chercheurs préfèrent observer de quelle manière la lumière du système stellaire est distribuée en infrarouge, cette longueur d'onde révélant la chaleur du disque d'accrétion ainsi que sa distribution spatiale.

Les étoiles entourées de disques de poussière sont plus brillantes en infrarouge que les étoiles sans disque. Plus la poussière est dense et opaque à la lumière visible, plus le disque sera lumineux en infrarouge. Kenyon et Bromley ont ainsi démontré que les astronomes pouvaient utiliser les mesures de brillance faites par spectrographie infrarouge (IRS) non seulement pour détecter le disque protoplanétaire, mais également pour détecter une planète de la dimension de la Terre en formation dans ce disque, phénomène qui devrait produire des quantités observables de poussière.

Décrivons pour terminer les instruments et notamment les satellites dont nous disposons ou en projet pour débusquer et étudier les exoplanètes.

COROT, Kepler, CHEOPS, Life Finder et TESS

Lancée fin 2008, la mission COROT de l'ESA a déjà permis aux astronomes de découvrir 7 exoplanètes aux caractéristiques bien distinctes en transit devant les étoiles naines rouges les plus proches. Grâce à une caméra CCD très performante fixée en mode afocal sur le télescope de COROT, cet instrument devrait être assez sensible pour détecter les astres de la taille de la Terre voire plus petits. Sa mission devrait se terminer en mars 2013.

Entre 2009 et 2013, la mission Kepler dirigée par le centre Ames de la NASA assura une mission similaire grâce à un télescope spatial de 0.95 m de diamètre, surveillant des milliers d'étoiles sur une période de quatre ans, recherchant des exoplanètes en transit devant leur étoile hôte. Kepler a déjà permis d'identifier 1091 exoplanètes potentielles. Malheureusement en 2012 puis en 2013, deux roues de réaction sur les quatre servant à positionner Kepler furent endommagées, empêchant de diriger le télescope vers d'autres cibles. En 2014, la NASA a toutefois validé la mission Kepler2 qui poursuit l'exploration des exoplanètes mais cette fois en scrutant uniquement le ciel de la zone de l'écliptique.

Le télescope spatial Kepler de 0.95 m de diamètre. Document NASA.

Après Kepler, la NASA (JPL) pensait lancer les missions spatiales SIM Lite et Terrestrial Planet Finder mais ces projets furent annulés. Espérons que leur successeur, la mission Life Finder (LF) aura plus de succès.

Enfin, après un report d'un an, en avril 2018 la NASA lança le satellite TESS dont la mission consiste à mesurer les paramètres de plus de 200000 étoiles à la recherche de flucutations lumineuses qui signaleraient le transit d'une exoplanète. Fin 2018, l'ESA lancera à son tour le satellite CHEOPS en orbite polaire qui rechercha des exoplanètes en transit grâce à des moyens photométriques.

A l'avenir, les recherches seront focalisées sur des missions spécifiques orientées vers les exoplanètes affichant des signes de vie.

ACA et SMA

A priori, la radioastronomie n'a pas pour vocation d'étudier les planètes ou leur étoile mais plutôt les émissions des galaxies et les radiosources les plus distances de l'univers. Néanmoins, dans le spectre submillimétrique (quelques centaines de GHz), les grandes installations radioastronomiques peuvent tout à fait épauler les planétologues en détectant par exemple des sursauts d'éclats, c'est-à-dire des éruptions sur les étoiles hôtes comme ce fut le cas sur Proxima du Centaure en 2018 (voir page 2). Du fait qu'ils sont efficaces pour détecter des nuages de poussière et de gaz froids, on peut également utiliser ces réseaux de paraboles fonctionnant en interférométrie pour détecter des disques protoplanétaires comme ce fut le cas de V4046 et beaucoup d'autres systèmes protoplanétaires. Rappelons également que c'est le SMA qui fut le premier radiotélescope à séparer Pluton de Charon en 2005.

Actuellement les deux installations les plus utilisées en planétologie sont l'ACA (Atacama Compact Array) intégré au réseau ALMA installé au Chili et le SMA (Submillimeter Array) du CfA installé à Mauna Kea à Hawaii. La première installation utilise 16 paraboles de 7 m et 12 m de diamètre, la seconde utilise 8 paraboles de 6 m de diamètre. Les deux installations peuvent être intégrées à des réseaux VLBI beaucoup plus étendus, notamment pour étudier les objets du ciel profond.

HabCat et ATA

Quelque 90% des exoplanètes découvertes à ce jour ont une masse voisine de celle de Jupiter ou d'Uranus; elle sont donc au minimum quatre fois plus grandes que la Terre et très peu présentent une surface solide et encore moins de l'eau liquide. A l'image des planètes joviennes, elles pourraient donc également être escortées d'un cortège de satellites de la taille et de la masse de la Terre ou de la Lune.

La vie ne s'est probablement pas développée sur les planètes géantes et gazeuses. Cependant, elle pourrait survivre sur les lunes de la taille de la Terre si la planète hôte gravite dans la zone habitable ou à quelques mètres sous la surface gelée si ces lunes disposent par exemple d'un océan sous l'écorce glacée.

Les futurs programmes s'orientent vers la recherche d'exoplanètes gravitant uniquement autour d'étoiles similaires au Soleil et dont les planètes seraient susceptibles d'abriter des mondes habitables.

Selon Margaret Turnbull de l'Université d'Arizona à Tucson, sur les 17129 étoiles candidates répertoriées dans le catalogue "Target Selection for SETI: I. A Catalog of Nearby Habitable Stellar Systems" de la NASA en préparation du Allen Telescope Array (ATA), 30 étoiles sont sur une liste courte parmi lesquelles 37 Gemini. C'est une étoile stable de type spectral G0, de magnitude 5.7, un peu plus chaude et un peu plus brillante que le Soleil (type G2V naine).

Quelques unes des paraboles du projet ATA.

En collaboration avec Jill Tarter de l'Institut SETI, Margaret Turnbull a également compilé le catalogue "HabCat" ou Catalogue des Systèmes Proches Habitables comprenant une sélection de 17129 étoiles chaudes abritant potentiellement des exoplanètes habitables.

75% des étoiles répertoriées dans l'HabCat sont situées à moins de 450 années-lumière. Ces soleils sont juste à la bonne distance des télescopes et assez brillants pour conduire un très intéressant programme de recherche d'exoplanètes habitables.

Comme nous l'avons évoqué à propos de Tau ceti , la quantité de métaux lourds (la métallicité) présents lorsque l'étoile s'est formée ainsi que son âge sont des critères très importants pour les chercheurs. Les jeunes étoiles par exemple ont souvent une grande vitesse de rotation, elle émettent des rayons X ou elles n'ont pas encore brûlé tous leurs éléments légers. Elles ne sont pas arrivées au stade de maturité et il en est autant des possibilités de vie dans leur environnement, jugé trop hostile.

La luminosité des étoiles propices au développement de la vie est peut-être le critère le plus important car il permet de déterminer l'habitabilité des étoiles pour une forme de vie complexe. La classe de luminosité indique la phase d'évolution de l'étoile et combien de temps encore elle peut rester stable avant de devenir une étoile géante.

Les prévisions numériques réalisées par les astronomes seront applicables dans les années à venir lorsque les instruments de la deuxième génération pourront rechercher les signatures atmosphériques de la vie, telles que de grandes quantités d'oxygène sur les exoplanètes de la taille de la Terre. Ensuite les télescopes interférométriques tel le futur ATA (Allen Telescope Array) de l'Institut SETI pourra se consacrer entièrement à l'étude des 17129 étoiles habitables du catalogue HabCat parmi d'autres projets.

ATA est en cours d'installation à Hat Creek en Californie. En 2007, 42 antennes étaient opérationnelles. A terme ATA sera constitué de 350 paraboles de 6.1 m de diamètre. La surface collectrice du système sera équivalente à celle d'une parabole unique de 114 m de diamètre (similaire au GBT) mais offrant une résolution angulaire équivalente à celle d'une parabole unique de 700 m de diamètre.

Notons que Paul Allen, cofondateur de Microsoft, est le principal mécène de ce projet qui offrit 11.5 millions de dollars pour construire les premières paraboles mais il compte sur la générosité de donateurs privés pour voir l'aboutissement de son ambitieux projet qui manqua d'avorter en 2010 faute d'argent et échappa de peu à un incendie en 2014. Mais l'avenir nous réservera sans aucun doute de bonnes surprises !

2050, RLA ou l'hypertélescope spatial

Les milliers d'exoplanètes découvertes à ce jour l'ont été de manière indirecte, par les méthodes de la vitesse radiale et du transit principalement. Mais comme nous l'avons expliqué toutes les exoplanètes ne transitent pas devant leur étoile car le plan de leur orbite peut être très incliné par rapport à l'angle de visée, leur orbite ressemblant à une ellipse un cercle vu de la Terre. Dans ce cas, il faut utiliser des instruments très puissants, offrant un pouvoir de résolution très élevé ce qui signifie soit utiliser de hautes fréquences de travail soit un capteur de grand diamètre afin de distinguer directement les plus petits astres se déplaçant devant le fond du ciel.

Entre 2020 et 2050, la NASA envisage de placer sur orbite des hypertélescopes optiques dont le Redundant Linear Array de Lopez et al. proposé en 2000. Il s'agit d'un interféromètre de 150 km de diamètre susceptible de découvrir des signes de vie sur une exoplanète de la taille de la Terre située à 10 années-lumière telle celle illustrée à droite. Rappelons que Wolf 1061c grande comme 5.2 fois la Terre et située à 14 a.l. est une candidate idéale. Documents A.Labeyrie.

Vers 2050, les chercheurs espèrent disposer de télescopes spatiaux interférométriques qui devraient leur permettre de découvrir des astres de la taille de la Terre et déterminer s'ils sont susceptibles d'abriter la vie. Citons les projets LISE, Hyper-OVLA et RLA, le Redundant Linear Array de Lopez qui serait capable de discerner des détails sur la surface d'une planète de la taille de la Terre à 10 années-lumière ! Bien sûr, il n'existe pas beaucoup d'étoiles et d'exoplanètes à cette distance (on dénombre 12 étoiles dont Sirius B et Rigil Kentaurus alias Alpha du Centaure parmi lesquelles il y a 7 naines rouges dont Gliese 623A). En revanche, à quelques centaines d'années-lumière la probabilité de découvrir des exoplanètes augmente et il existe vraisemblablement parmi elles des exoplanètes plus grandes que la Terre que le RLA pourra scruter en détail. De plus, ces futures découvertes sont susceptibles de contenir une proportion plus élevée de systèmes ressemblant au système solaire, où des planètes géantes orbitent en dehors de la zone habitable. La proportion de systèmes abritant des terres habitables doit donc aussi augmenter.

Aidez les professionnels : Planet Hunters

Si la recherche des exoplanètes vous intéresse, sachez qu'il existe une application dédiée nommée Planet Hunters qui faitt partie des applications Zooniverse, grâce à laquelle vous pouvez aider les professionnels à découvrir des exoplanètes en analysant par Internet les courbes lumineuses des étoiles observées par le télescope spatial Kepler. L'analyse de ces 19 millions de courbes par plus de 250000 volontaires a déjà permis de découvrir plusieurs exoplanètes, y compris dans la zone habitable, ainsi que de nouveaux types d'étoiles variables. Profitez-en, c'est de la Science !

Bonne chance !

Pour plus d'informations

A la recherche de planètes habitables (sur ce site)

La formation du système solaire (dont les planètes gazeuses et telluriques, sur ce site)

Planet hunters (programme de recherche)

Exoplanet.eu

NASA Exoplanet Archive, NASA

Exoplanet Exploration Program, NASA

Astrobiology - New Planets

CHEOPS

TESS

COROT

Kepler

Life Finder

Terrestrial Planet Finder

SIM Lite

Institut d'Astrophysique de Paris (IAP)

New Worlds Atlas (NASA)

Planet Quest (JPL)

California & Carnegie Planet Search

Transit Search

Le projet PlanetQuest (projet annulé)

Illustrations

Alien Worlds (sur ce site)

Kepler Orrery IV (Ethan Kruse, YouTube, 2015)

David H.Hardy.

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