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A la recherche des exoplanètes
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 poussière, 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)
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.
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'Hawaï équipé d'une "caméra" micro-ondes SCUBA (Sub-Millimeter Common User Bolometer Array). Comme nous l'avons expliqué, tout indique que Véga abrite une Hot Jupiter d'au moins 4 fois fois la taille de la Terre sur laquelle règne une température de 3000°C (cf. S.A. Hurt et al., 2021). 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. L'avantage des étoiles naines rouges Nous avons expliqué que plusieurs exoplanètes furent découvertes autour d'étoiles naines (Rigil Kentauris, Proxima du Centaure, TRAPPIST-1, etc). Dans certains de ces systèmes, plusieurs exoplanètes sont rocheuses et pourraient contenir de l'eau liquide. Ce sont des planètes habitables, du moins en théorie. La plupart des exoplanètes habitables découvertes à ce jour évoluent autour d'étoiles naines rouges de classe M qui sont nombreuses dans le voisinage du Soleil. Pour qu'une planète maintienne un climat tempéré, on sait que non seulement elle doit bénéficier d'une intensité lumineuse et d'un rayonnement modérés mais aussi disposer obligatoirement d'une quantité adéquate d'eau liquide. Les anciens modèles de formation planétaire prédisaient que le taux d'occurrence de planètes satisfaisant à de telles conditions était très faible. Mais de nouvelles simulations de formations planétaires réalisées en 2022 par Tadahiro Kimura, doctorant de l'Université de Tokyo et le professeur Masahiro Ikoma de la NOAJ ont montré qu'une planète en formation couverte d'un océan de magma pouvait créer une atmosphère riche en hydrogène et produire de l'eau via la réaction entre l'atmosphère et l'océan de magma. Cet enrichissement en eau est un processus que connut la Terre lors de sa formation avec le succès que l'on sait.
Grâce
à ce modèle, les chercheurs ont calculé les quantités d'eau de mer que les exoplanètes
en orbite autour des étoiles de classe M présenteraient. Il estiment "qu'entre
5 et 10% des exoplanètes ayant des rayons < 1.3 R A ce propos, pour terminer découvrons les instruments et notamment les satellites dont nous disposons ou en projet pour débusquer et étudier les exoplanètes. Les outils : télescopes spatiaux et radiotélescopes COROT, Kepler, Life Finder, TESS et CHEOPS Lancée fin 2008, la mission CoRoT (Convection, Rotation et Transits planétaires) 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. A
voir : Cheops: Europe's exoplanet mission,
ESA, 2019
Après Kepler, la NASA (JPL) pensait lancer les missions spatiales SIM Lite (Space Interferometry Mission) et Terrestrial Planet Finder mais ces projets furent annulés. Espérons que leur successeur, la mission Life Finder (LF) aura plus de succès. Après un report d'un an, en avril 2018 la NASA lança le satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) 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 2019, l'ESA lança à son tour le satellite CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite) en orbite polaire qui recherche 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. Les satellites PLATO et ARIEL L'ESA a également planifié le lancement de deux autres télescopes spatiaux dédiés aux exoplanètes : La mission PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) dont le lancement est prévu en 2026, avec deux ans de retard. Plato passera en revue un grand nombre d'étoiles à la recherche de signes d'exoplanètes habitables. Avec 26 instruments à bord, le télescope éponyme concentrera son attention principalement sur les planètes semblables à la Terre en orbite dans la zone habitable autour d'étoiles semblables au Soleil. Il permettra aux scientifiques de mieux comprendre comment les planètes rocheuses se forment et, le cas échéant, quelles conditions seraient favorables à la vie. La mission ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey) sera lancée mi-2028. On espère qu'il observera 1000 exoplanètes et déterminer la composition chimique de leurs atmosphères. Le télescope spatial Roman Le 31 mars 2021, la NASA annonça que le futur télescope spatial Nancy-Grace-Roman - anciennement connu sous le nom de WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) - dont le lancement est prévu au milieu de la décennie 2020 pourrait découvrir plus de 100000 exoplanètes. Pour atteindre cet objectif, le télescope utilisera deux méthodes de détection différentes, la méthode classique du transit et le microlensing, mais dont l'occurrence est plus rare. Il est équipé d'un coronographe pour obtenir des images directes des exoplanètes. Le télescope Roman rend hommage à l'astronome Nancy-Grace Roman (1925-2018) qui fut l'une des premières femmes cadres travaillant à la NASA et l'une des pionnières du projet du Télescope Spatial Hubble (cf. cette vidéo sur YouTube). Le télescope Roman dispose d'un miroir de 2.40 m de diamètre et d'une caméra CCD de 300 mégapixels (contre 16 mégapixels pour la caméra WFC3 de Hubble) offrant un champ 100 fois supérieur à celui du Télescope Spatial Hubble dont le miroir à la même dimension. Comme le télescope spatial James Webb (JWST), pour optimiser ses performances, le télescope Roman sera placé sur le point de Lagrange L2 situé à 1.5 million de km de la Terre dans la direction opposée au Soleil. À cet endroit particulier, les forces gravitationnelles s'équilibrent pour maintenir les objets sur des orbites stables avec très peu d'assistance. A
voir : Transit Method For Detecting Planets,
NASA
Etant plus sensible que tous les autres télescopes spatiaux dédiés à la recherche des exoplanètes, Roman aura notamment pour mission de scruter les éclipses secondaires détectées sur des étoiles trop pâles ou trop lointaines pour les télescopes spatiaux Kepler et TESS. Roman aura également pour mission de rechercher des Hot Jupiters et des naines brunes dans le coeur de la Voie Lactée. Enfin, les cosmologistes comptent sur Roman pour éclaircir le problème de l'expansion accélérée de l'Univers. Il devrait tester les modèles de l'énergie sombre et pourquoi pas trouver une trace de la matière noire. Selon la NASA, le télescope Roman a coûté 3.2 milliards de dollars pour une enveloppe budgétaire maximale de 3.934 milliards de dollars. Le programme devrait durer au moins 5 ans mais si on en juge par ses concurrents, il pourrait rester opérationnel plusieurs décennies. Si son prix est très cher dans l'absolu, l'instrument est plus performant et 32% moins cher que le Télescope Spatial Hubble lors de son lancement (4.7 milliards de dollars en 1990, pour un budget total de 10 milliards de dollars en 2010) dont la durée de vie est estimée à 40 ou 50 ans et presque 3 fois moins cher que le très onéreux télescope spatial James Webb alias JWST (plus de 10 milliards de dollars en 2021). Le télescope spatial James Webb (JWST) Le JWST est un télescope spatial généraliste comme le Télescope Spatial Hubble (HST) mais dont le spectre de sensibilité est décalé vers l'infrarouge proche et moyen. Il n'est donc pas dédié à l'étude des exoplanètes ni même du système solaire mais plutôt à l'étude des nuages de poussière cachant par exemple des nurseries d'étoiles ou des trous noirs, le coeur des galaxies poussiéreuses ainsi que des galaxies les plus lointaines et affichant une activité anormale comme les quasars. Ceci dit, à l'occasion il peut être orienté vers des cibles choisies, comme par exemple une exoplanète océanique comme TOI 1452 b, le système TRAPPIST ou celui de Proxima du Centaure décrit précédemment. Il est également équipé de moyens spectrométriques très utiles pour analyser l'atmosphère des exoplanètes. 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 (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) installé au Chili et le SMA (Submillimeter Array) du CfA installé à Mauna Kea à Hawaï. 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 classe spectral G0, de magnitude 5.7, un peu plus chaude et un peu plus brillante que le Soleil (classe G2 V).
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.
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 ! Une autre technique très prometteuse et offrant une plus grande résolution consiste à utiliser un coronographe placé loin de la Terre afin qu'il tire profit du puissant effet de lentille gravitationnelle du Soleil (cf. la mission SGL). Bien sûr, il n'existe pas beaucoup d'étoiles et d'exoplanètes à moins de 10 années-lumière du Soleil; 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 ou le SGL pourra scruter en détails. 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 fait 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) L'échelle CoLD (sur ce site) La formation du système solaire (sur ce site) Planet hunters (programme de recherche) Exoplanet.eu (catalogue) Exoplanet Catalog, NASA NASA Exoplanet Archive, NASA Exoplanet Exploration Program, NASA The Habitable Exoplanets Catalog, UPR Sellers Exoplanet Environments Collaboration (SEEC), NASA-GSFC Direct Multipixel Imaging and Spectroscopy of an Exoplanet with a Solar Gravitational Lens Mission, NASA Institut d'Astrophysique de Paris (IAP) New Worlds Atlas (NASA) Planet Quest (JPL) California & Carnegie Planet Search Exoplanet Watch (NASA) Le projet PlanetQuest (projet annulé) Illustrations Alien Worlds (sur ce site) Eyes-on-exoplanets (simulateur 3D), NASA Kepler Orrery IV (Ethan Kruse, YouTube, 2015)
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et évoluant autour d'étoiles de classe M possèdent des quantités modérées d'eau de mer
appropriées à l'habitabilité." Selon les auteurs, cela suggère qu'il serait
possible de découvrir des exoplanètes rocheuses à climat tempéré au cours des prochaines
missions spatiales (cf. 
