Le point sur les exoplanètes

Depuis la première découverte en 1995, les exoplanètes font depuis quelques années les gros titres des revues scientifiques. Les découvertes qui sont annoncées régulièrement en font actuellement un des « points chauds » de la science, avec à la clé des planètes qui pourraient éventuellement être habitables pour une quelconque forme de vie. L'espoir de la découverte d'autres mondes ou d'autres formes de vie est donc un vecteur pour cette quête, et certains chercheurs n'hésitent pas à annoncer haut et fort dans les médias que la vie extraterrestre est à notre portée. Retour sur cette exploration.

À propos des exoplanètes

Qu'est-ce qu'une exoplanète ?

Une exoplanète est une planète qui se situe hors de notre système solaire, c'est-à-dire qu'elle n'orbite pas autour de notre étoile, le Soleil. Une planète étant définie par son orbite autour d'une étoile et une forme plus ou moins sphérique, ces mêmes caractéristiques s'appliquent aux exoplanètes.
Dès que l'homme a réalisé que la Terre n'était pas le centre du monde et que son système solaire n'était qu'un parmi les quelques étoiles estimées dans l'univers, il a imaginé des planètes semblables ou non à la nôtre, accompagnées bien entendu de leurs habitants, les extraterrestres.

Beaucoup d'observateurs ont ainsi cru apercevoir ces fameuses exoplanètes, mais il faudra attendre les années 90 pour avoir les premiers résultats confirmés.
Le polonais Aleksander Wolszczan aura bien déniché des exoplanètes en 1990, mais ce sera autour d'un pulsar (l'étoile à neutrons PSR B1257+12) et non d'une étoile semblable au Soleil. La première vraie découverte est faite par l'équipe de Didier Queloz et Michel Mayor, qui, depuis l'observatoire de Genève, observent leurs premières exoplanètes autour de l'étoile 51 Pegasi en octobre 1995.

Comment détecte-t-on les exoplanètes ?

Il existe ce qu'on appelle des méthodes indirectes et des méthodes directes. Les méthodes indirectes sont ainsi nommées car on observe uniquement les conséquences de la présence de l'exoplanète.

La méthode des vitesses radiales

Cette méthode semble être la plus efficace aujourd’hui pour dénicher les exoplanètes. Elle consiste en l'observation des vitesses radiales des étoiles. Les planètes qui tournent autour de leur étoile provoquent un mouvement de recul de celle-ci, ce qui se traduit par une modification de cette vitesse. Grâce à l'effet Doppler-Fizeau (qui décale les raies lumineuses émises par l'étoile selon si elle se rapproche ou non), les astronomes sont à même de mesurer ces variations de vitesse radiales. Si ces variations sont périodiques, on peut avancer que l'on a découvert une planète. Cependant, cette méthode a ses restrictions : les exoplanètes découvertes sont d'une grande taille et d'une grande masse, parce qu'il n'existe à heure actuelle pas d'instruments assez précis pour mesurer les variations créées par des planètes de la taille de la Terre. D'autre part, les étoiles doivent être assez lumineuses, afin d'avoir une résolution spectrale permettant la mesure précise des raies lumineuses.

Pour mesurer ces raies lumineuses, on utilise un appareil de mesure nommé spectromètre (ou spectrographe) qui détermine les longueurs d'onde associées aux raies. Un des chasseurs d'exoplanètes les plus efficaces aujourd'hui est justement un spectromètre. C'est l'instrument HARPS, appartenant à l'ESO et situé à La Silla, dans le désert d'Atacama au Chili. D'autres installations plus anciennes, qui n'avaient pas pour but originel la chasse aux exoplanètes, sont par exemple l'observatoire américain Keck, installé à Hawaï ou le Californien Lick, ou encore l’ancêtre Suisso-Européen de HARPS, CORALIE, aussi installé au Chili.

La méthode du transit

Cette méthode est tout aussi efficace pour détecter les exoplanètes, cependant elle ne peut s'appliquer que dans certains cas précis. En effet, l'inclinaison de l'orbite de l'exoplanète autour de son étoile doit approcher les 90°, c'est-à-dire qu'on voit le système étoile-planète par la tranche. Lorsque l'exoplanète passe devant son étoile, entre celle-ci et la Terre, elle occulte une partie de l'étoile, réduisant la luminosité de l'astre. De la Terre, nous pouvons mesurer cette diminution d'intensité lumineuse, ainsi que la mesurer pour estimer la taille de la planète. Après une étude sur quelques années et après vérification que ce phénomène est bien périodique, on peut affirmer que l'on a découvert une exoplanète. Bien sûr, comme une planète est rarement seule, on observe plusieurs variations d'intensité.



La technique sœur des transits est l'astrométrie, qui diffère par le fait que le système étoile-planètes est vu de dessus. On peut observer les positions successives de l'étoile et mesurer ainsi les perturbations qu'entraînent les planètes sur la trajectoire de l'étoile. Cependant, cette technique est peu utilisée car les mesures sont perturbées par l'atmosphère terrestre.

Un des pionniers dans le domaine a été le télescope spatial franco-européen CoRoT (pour COnvection, ROtation et Transits planétaires). L'étude des exoplanètes n'était pas son but unique, mais il réussit brillamment sa mission depuis son lancement fin 2006.

Un autre instrument assez connu est plus récent, il s'agit du télescope spatial Kepler, lancé en mars 2009 en orbite autour du Soleil. Celui-ci utilise principalement la méthode du transit, mais aussi quelques fois celle des méthodes radiales. Il est en effet pourvu d'instruments lui permettant d'utiliser les deux techniques. Des successeurs possibles pourraient être les projets européens Gaia et PLATO, bien que ce dernier ait été annulé et reporté une première fois.

L'effet de microlentille gravitationnelle

Comme tout corps de l'espace, les étoiles ont une masse, assez grosse d'ailleurs. Elles sont de ce fait impactées par la théorie de la relativité qui décrit comment s'exerce le champ gravitationnel sur la trajectoire de la lumière qui provient d'autres sources. Celle-ci est en effet déviée lorsqu'elle passe à proximité d'un corps assez massique, comme nous le voyons sur l'image ci-contre. La lumière qui provient d'autres étoiles est donc déformée, et cette perturbation joue au final l'effet d'une lentille, d'où le nom de cette technique, dite par microlentilles gravitationnelles. Cet effet n'arrive que lorsque le système Étoile - Source de déformation de l'espace-temps - Terre (observateur) est aligné, exactement comme sur un banc d'optique. Pour simplifier, on pourrait dire que sans déformation, il n'y a qu'un seul rayon qui arrive en ligne droite jusqu'à la Terre, alors qu'avec la déformation, on le voit sur l'image, il y en a plusieurs.
La lentille grossit l'image et augmente la luminosité de l'image de départ, ce qui permet de révéler les planètes orbitant autour de l'étoile lentille, qui ne réémettent que peu de lumière. Cependant, comme l'alignement n'arrive qu'une seule fois, la mesure ne peut pas être répétée, donc il n'y a pas de confirmation de la découverte possible par cette technique, il faut alors en utiliser une autre, ce qui fait que l'effet de micro-lentille gravitationnelle reste très peu utilisé.
Il n'y a guère que quelques projets actifs, dont PLANET/RoboNet (Probing Lensing Anomalies Network/Robotic Telescope Network) et OGLE.
Les observations faites par micro-lentilles servent aussi à d'autres domaines, comme la détection de la matière noire ou bien l'étude de la structure de notre galaxie.

La photographie directe

Cette méthode est dite directe car on cherche à observer directement des exoplanètes. Cela se passe avec de gros télescopes comme le VLT situés à Terre, dans des déserts en altitude comme celui d'Atacama au Chili, afin de réduire au maximum les effets perturbateurs de l'atmosphère terrestre sur les images prises. Cependant, comme cela ne suffit pas, il existe aussi des télescopes spatiaux placés en orbite qui font oublier ce problème, à l'instar de Hubble ou de son successeur futur, James Webb.
Enfin, pour avoir une chance d'observer des exoplanètes de cette manière, il faut occulter l'étoile qui émet trop de lumière et nous cache les corps passant à ses côtés.
Des instruments sont ou seront installés sur les principaux télescopes pour sélectionner les exoplanètes. On trouve notamment le module SPHERE sur le VLT.

Les exoplanètes et la vie

Les chances de trouver la vie

Depuis 1995, le nombre de découvertes d'exoplanètes croît exponentiellement. Avec elles, arrive à grande vitesse l'espoir de trouver une planète habitable, voire plus tard de la vie. La discipline qui étudie ces potentialités se nomme l'exobiologie. Entre autres, elle tente de déterminer les conditions nécessaires à la vie sur ces planètes. S'il s'agit d'une vie telle que nous la connaissons, les conditions indispensables seraient la bonne distance au soleil (on parle de zone habitable), la présence d'une atmosphère, d'eau ou bien d'oxygène. Pour aller chercher la vie ailleurs, il existait un projet qui pourrait détecter des traces d'activité biologique, le projet européen Darwin, un télescope spatial composé de 5 satellites munis de spectroscopes pouvant détecter les éléments, comme l'eau ou l'oxygène, présents dans l'atmosphère de l'exoplanète. Malheureusement, ce projet a été avorté en 2007, sans idées lui succédant. Les États-Unis avaient aussi un projet semblable, le TPF, mais il a été annulé en même temps que Darwin.

Les exoplanètes célèbres

En dehors de la première exoplanète découverte, 51 Pegasi b, couramment appelée Bellérophon, du nom du héros grec, il existe bien d'autres exoplanètes célèbres. En voici un échantillon :

• En 1999, deux Américains découvrent la première étoile autre que le Soleil qui comporte plusieurs exoplanètes. Cet exosystème planétaire orbite autour d'une étoile nommée Upsilon Andromedae.
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  Osiris
  On trouve deux ans plus tard HD 209458 b, communément appelée Osiris, qui est la première géante gazeuse découverte. Du fait de sa proximité avec le Soleil, son atmosphère est soufflée par les vents solaires. Une nouvelle catégorie d'exoplanètes, les planètes chthoniennes, des géantes gazeuses dont l'atmosphère s'est envolée, laissant de la planète que son noyau rocheux, la faisant fortement ressembler à une planète tellurique.
• En 2007, l'annonce de la découverte de la première exoplanète comprise dans la zone d'habitabilité, Gliese 581 c, par le télescope HARPS fait grand bruit. Elle est la première à être qualifiée de « type terrestre habitable » car son diamètre et sa masse ressemblent approximativement à ceux de la Terre. De plus, les températures à la surface variant de 0 à 40°C autorisent la présence d'eau et encore plus hypothétiquement de vie.
  
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  Kepler-10b
  (vues d'artiste)
  La plus petite des exoplanètes découvertes a d'abord été CoRoT-7b, découverte par CoRoT en 2009, mais en janvier 2009, Kepler-10b la supplante après sa découverte par le télescope spatial Kepler. Cette dernière ayant une taille comprise entre celle de la Terre et les géantes gazeuses comme Jupiter, on l'appelle une super-Terre. Ces super-Terres sont de nature rocheuse, et on peut donc potentiellement y trouver de l'eau.

Les possibles jumelles de la Terre

Bien sûr, il ne s'agit pas de clones de notre planète (à propos, avez-vous vu le film Another Earth ?), mais d'exoplanètes qui possèdent un grand nombre de caractéristiques qu'on retrouve sur la Terre.

• Au titre de planète qui ressemble le plus à la Terre, HD 85512b est certainement en première ligne. C'est une super-Terre à peine 40% fois plus grande que notre planète qui n'est pas particulièrement bien positionnée par rapport au Soleil, bien que dans la zone habitable, mais une couverture nuageuse renvoyant approximativement 50% de l'intensité lumineuse pourrait lui permettre de posséder des températures au sol égales à celles de la Terre.
• Une autre candidate au titre d'exoterre est Gliese 581d, découverte en 2007 et annoncée potentiellement habitable quatre ans plus tard. Parmi les 4 autres planètes orbitant autour de son étoile, une naine rouge, elle seule se trouve à une position qui lui permettrait, en ayant un fort effet de serre rendu possible par une atmosphère riche en , d'avoir des températures vivables.
• Kepler 22b, dont la découverte a été annoncée en grande pompe par la NASA, était effectivement dans la zone habitable autour de son étoile. En revanche, sa taille ne fait aucun doute sur sa nature : possédant une atmosphère épaisse, et d'une masse 30 fois supérieure à celle de la Terre, elle devrait un peu ressembler à Neptune et être entièrement recouverte d'un océan.
• Enfin, un des derniers espoirs en date est Gliese 667Cc, qui se trouve en plein dans la zone habitable de son étoile. Cependant, pour déterminer sa nature et déterminer son rayon il faudra utiliser la méthode des transits, ce qui n'a peu de chances d'être réalisable.

Et pour finir...

... Savez-vous comment on nomme les exoplanètes ? Bien entendu, ces suites de lettres et de chiffres (tels BD202457c, HD11964b, HD4208b,...) ne sont pas donnés au hasard. Pour commencer, on se base sur le nom de l'étoile, qui comporte en premier une partie de lettres. Cette partie désigne le catalogue d'étoiles. Il y en a des anciens, des plus moins adaptés selon les cas. Par exemple Gliese est un catalogue qui recense toutes les étoiles se situant à moins de 25 parsecs de la Terre. Le catalogue Henry Draper (HD) est aussi connu, mais un des plus utilisés est l'ICRF. Ensuite, les numéros suivants sont attribués soit par ordre de découverte des étoiles, soit en rapport avec la date ou l'heure de la découverte, ou bien le plus souvent par rapport aux coordonnées spatiales de l'étoile, en faisant un découpage du ciel par tranches. Ces deux parties assemblées nous donnent la dénomination de l'étoile. Enfin, pour avoir le nom de l'exoplanète, on ajoute une lettre de l'alphabet, dans l'ordre de découverte d'exoplanètes autour de l'étoile concernée. Certains noms de planètes ne prennent pas leur nom à partir d'un catalogue, mais à partir du nom du télescope spatial qui les a découvertes, à l'instar de Kepler-10b.