Astronomie : On recherche la première planète orbitant autour d’une étoile autre que le Soleil

ESPACE Découvrez, chaque jour, une analyse de notre partenaire The Conversation. Aujourd’hui, un astrophysicien nous dévoile progrès et promesses de l’observation cosmique

20 Minutes avec The Conversation
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Vue d'artiste d'une exoplanète
Vue d'artiste d'une exoplanète — L. Benassi / ESO, CC BY (via The Conversation)
  • Obtenir l’image d’une exoplanète à côté de son étoile hôte équivaudrait à réussir à photographier un oiseau de mer volant autour d’un phare situé à plusieurs milliers de kilomètres, selon notre partenaire The Conversation.
  • On parvient pourtant à détecter des exoplanètes ayant des propriétés semblables à celles de la Terre (taille, masse, distance à son étoile) et de nouveaux instruments, plus précis, sont en développement.
  • L’analyse de ce phénomène a été menée par Guillaume Hébrard, directeur de recherche CNRS à l’Institut d’Astrophysique de Paris.

Notre étoile, le Soleil, est accompagnée d’un cortège de planètes. Nous sommes sur l’une d’entre elles, la Terre, et depuis sa surface nous pouvons observer dans le ciel les autres planètes du Système solaire. Le ciel nocturne est également rempli de milliers d’étoiles, dont les positions fixes les unes par rapport aux autres dessinent des constellations.

Nos observations du ciel nous ont permis de comprendre que la Terre et les autres planètes étaient des sphères froides tournant en orbite autour du Soleil, bien plus gros et chaud. Nous avons également compris que le Soleil était une étoile semblable aux autres ; c’est simplement sa plus grande proximité qui nous le fait apparaître très lumineux, par comparaison aux autres étoiles qui sont considérablement plus éloignées et donc bien moins brillantes.

Sortons du système solaire

Le Soleil étant une étoile similaire aux autres, une question se pose naturellement : les autres étoiles sont-elles également accompagnées de planètes en orbite autour d’elles ? Et si elles existent, ces «  exoplanètes » ou « planètes extrasolaires » ont-elles des caractéristiques semblables à celles des planètes du Système solaire, ou alors sont-elles très différentes ? Ces éventuelles planètes extrasolaires sont-elles très abondantes, ou sont-elles rares, avec seulement quelques étoiles qui en hébergent ? Et enfin, si certaines exoplanètes sont similaires à la Terre, ont-elles connu l’apparition puis le développement de formes de vie à leur surface ?

On le voit, ces questions sont d’une grande portée, tant du point de vue scientifique que philosophique ou sociétal. Se les poser et tenter d’y répondre est également porteur de nombreuses émotions.

Le problème de l’unicité de notre univers ou de la pluralité des mondes a régulièrement été abordé, dès l’Antiquité et tout au long de l’Histoire. À partir de la révolution copernicienne de l’héliocentrisme au XVIe siècle, les planètes du Système solaire sont comprises comme étant des astres semblables à la Terre, et donc susceptibles de constituer de nouveaux mondes. Giordano Bruno va même jusqu’à énoncer l’existence d’exoplanètes autour des autres étoiles, qui plus est habitées.

Vue d’ensemble du Système solaire (le Soleil, les planètes, les planètes naines et les satellites naturels sont à l’échelle pour leurs tailles relatives, et non pour les distances) © Beinahegut (vf : Charlestpt) / Wikimedia CC BY-SA 4.0

Au XVIIe siècle, notamment avec Johannes Kepler et Isaac Newton, les connaissances sont mûres pour réellement aborder avec une démarche scientifique la question des exoplanètes : si elles existent effectivement, on sait désormais à peu près quel devrait être leur mouvement autour de leurs étoiles hôtes. À vrai dire, peu d’astronomes doutent depuis cette époque de leur existence ; le Soleil étant accompagné d’un système planétaire, il semble raisonnable de penser que beaucoup d’autres étoiles le soient également, si ce n’est toutes.

Vraisemblables, les exoplanètes allaient finir par être détectées un jour.

Observer des planètes autour d’autres étoiles

Mais une telle observation est ardue et représente un défi, hors de portée des télescopes pendant plusieurs siècles. En effet, comme les éventuelles exoplanètes sont de plus petites tailles et bien moins massives que leurs étoiles hôtes, leurs effets sur ces dernières sont ténus. Et obtenir directement l’image d’une exoplanète à côté de son étoile hôte équivaudrait à réussir à photographier un oiseau de mer volant autour d’un phare situé à plusieurs milliers de kilomètres.

Avec l’amélioration des instrumentations en astronomie, ça n’est qu’à la fin du XXe siècle que sont entrepris des programmes ayant des chances d’en détecter, mais ceux-ci restent longtemps infructueux tant la tâche est difficile.

La détection de la première exoplanète est faite au milieu des années 1990 par les astronomes suisses Michel Mayor et Didier Queloz à l’Observatoire de Haute-Provence, en France.

L’Observatoire de Haute-Provence, dans le Sud de la France, d’où Michel Mayor et Didier Queloz ont découvert la première exoplanète en 1995 © OHP-OSU Institut Pythéas / AMU / CNRS Photothèque (via The Conversation)

Utilisant et perfectionnant la méthode dite des « vitesses radiales », ils obtiennent ce résultat en mesurant très précisément le mouvement d’une étoile et en interprétant ses légères variations périodiques comme étant provoquées par la présence d’une planète. Après avoir vérifié plusieurs fois leurs analyses, c’est avec une grande émotion qu’ils présentent, lors d’une conférence à Florence le 6 octobre 1995, la découverte de la planète «  51 Pegasi b ». Leurs résultats sont publiés le mois suivant dans la revue Nature.

Cette annonce engendre un bouleversement et une émotion partagée par l’ensemble de la communauté scientifique : si l’existence des planètes extrasolaires était peu contestée, leur découverte la concrétise, donne enfin la réponse à cette question vieille de plusieurs siècles, et ouvre la voie à de nombreuses autres détections. Les programmes d’observations comme les études théoriques consacrées aux exoplanètes vont se multiplier. L’exoplanétologie va se développer de manière considérable à partir de 1995, et des centaines d’astronomes dans le monde y consacrent aujourd’hui leurs recherches.

Le Prix Nobel de physique que Michel Mayor et Didier Queloz ont reçu en 2019 pour cette découverte souligne la révolution qu’elle a constituée, pour l’astrophysique et plus généralement pour la connaissance humaine.

Dider Queloz, Michel Mayor et leur co-lauréat au Prix Nobel de physique 2019, James E. Peebles © Jonas Ekstromer / AFP (via The Conversation)

L’omniprésence et la grande diversité des systèmes planétaires

Depuis, des exoplanètes ont été détectées, caractérisées et étudiées par milliers.

En comparant leurs propriétés avec les prédictions des modèles théoriques, nous comprenons mieux comme se forment et évoluent les systèmes planétaires. Ces détections montrent également l’omniprésence des planètes dans notre galaxie – il semblerait que la plupart des étoiles en hébergent – et révèlent une très grande diversité de planètes. En effet, si certaines sont similaires à celles du Système solaire, beaucoup d’autres montent des propriétés très différentes et parfois surprenantes.

On peut citer par exemple les « Jupiter chauds », c’est-à-dire des planètes aussi grosses et massives que notre Jupiter, mais situées si proches de leur étoile qu’elles n’en font le tour qu’en quelques jours. 51 Pegasi b appartient à cette catégorie. Chauffées par leur étoile, les atmosphères de ces planètes ont des températures au-delà de 1000 °C.

Il existe également des « super-Terres » ou des « mini-Neptunes », environ deux à trois fois plus grosses que notre planète. Suivant leur structure interne, elles peuvent s’apparenter à des planètes telluriques de grande taille ou à des planètes gazeuses de petite taille. Totalement absentes autour du Soleil, elles sont pourtant très abondantes autour d’autres étoiles.

Vue d’artiste de 51 Pegasi B © Kirk39 / Wikimedia CC BY-SA

On peut aussi étudier les atmosphères de certaines exoplanètes, par exemple mesurer leurs épaisseurs ou leurs températures, identifier des espèces chimiques, détecter des mouvements.

Par ailleurs, si certaines exoplanètes semblent pour l’instant être seules en orbite autour de leur étoile, beaucoup d’autres sont situées dans des systèmes comportant plusieurs planètes tournant autour d’une même étoile, parfois sur des orbites très proches les unes des autres. Certaines orbites sont particulièrement excentriques ou inclinées, ce qui n’est pas le cas pour les planètes du Système solaire. Ces différentes configurations sont probablement la signature de plusieurs types d’évolutions dynamiques.

Vers d’autres Terres ?

Enfin, on commence à détecter des exoplanètes ayant des propriétés semblables à celles de la Terre, par exemple sa taille, sa masse ou la distance à son étoile. De nouveaux instruments sont en développement pour tenter d’en détecter d’autres et pour les étudier plus précisément en améliorant encore les techniques utilisées actuellement. Des méthodes permettant d’y détecter d’éventuelles traces de vie commencent à être élaborées, notamment par l’étude de leurs atmosphères ; elles devraient être mises en œuvre dans les décennies à venir.

Ainsi, nous vivons actuellement une période privilégiée, inédite et particulièrement émouvante. Après des siècles d’attente, nous commençons à avoir des éléments très concrets nous permettant de comparer la Terre et le Système solaire avec d’autres systèmes planétaires, et de savoir en quoi ils sont uniques… ou très ordinaires.

Ces questions sont directement reliées à la place que la Terre et nous-mêmes occupons dans l’univers. Leurs réponses ont de grandes implications d’un point de vue scientifique, mais aussi bien et au-delà.

Cette analyse a été rédigée par Guillaume Hébrard, directeur de recherche CNRS à l’Institut d’Astrophysique de Paris.
L’article original a été publié sur le site de 
The Conversation.

Déclaration d’intérêts

Guillaume Hébrard a reçu des financements d'organismes publics de recherche.