Exoplanètes : des mondes en orbite autour d'étoiles lointaines

La Voie lactée, notre propre galaxie, s'étend dans le ciel au-dessus du télescope de La Silla au Chili. Cachées à l'intérieur de notre propre galaxie se trouvent des milliards de planètes, la plupart attendant d'être trouvées. Image viaCELLES. Brunier.

ParPat Brennan, programme d'exploration des exoplanètes de la NASA

Sortez par une nuit claire et vous pouvez être sûr de quelque chose que nos ancêtres ne pouvaient qu'imaginer : chaque étoile que vous voyez héberge probablement au moins une planète.

Les mondes en orbite autour d'autres étoiles sont appelésexoplanètes, et ils viennent dans une grande variété de tailles, des géantes gazeuses plus grandes que Jupiter aux petites planètes rocheuses à peu près aussi grandes que la Terre ou Mars. Ils peuvent être assez chauds pour faire bouillir le métal ou enfermés dans un congélateur. Ils peuvent orbiter si étroitement autour de leurs étoiles qu'unannéene dure que quelques jours; ils peuvent orbiter deux soleils à la fois. Certaines exoplanètes sont des voleurs sans soleil, errant à travers la galaxie dans l'obscurité permanente.

Cette galaxie, la Voie lactée, est l'épais flot d'étoiles qui traverse le ciel les nuits les plus sombres et les plus claires. Son étendue en spirale contient probablement environ 400 milliards d'étoiles, dont notre soleil. Et si chacune de ces étoiles n'a pas qu'une planète, mais, comme la nôtre, tout un système d'entre elles, alors le nombre de planètes dans la galaxie est vraiment astronomique : nous nous dirigeons déjà vers les milliers de milliards.

Cette super-Terre rocheuse est une illustration du type de planètes que les futurs télescopes, comme TESS et James Webb, espèrent trouver en dehors de notre système solaire. Image via ESO/M. Kornmesser

Nous, les humains, avons spéculé sur de telles possibilités depuis des milliers d'années, mais la nôtre est la première génération à savoir, avec certitude, que les exoplanètes existent vraiment. En fait, loin de là. On a récemment découvert que notre étoile voisine la plus proche, Proxima Centauri, possédaitau moins une planète– probablement un rocher. C'est 4,5Années lumièreloin - plus de 25 000 milliards de miles (40 000 milliards de km). La majeure partie des exoplanètes trouvées jusqu'à présent se trouvent à des centaines ou des milliers d'années-lumière.



La mauvaise nouvelle : pour l'instant, nous n'avons aucun moyen de les atteindre et nous ne laisserons pas de traces sur eux de si tôt. La bonne nouvelle : nous pouvons les observer, prendre leurs températures, goûter leurs atmosphères et, peut-être un jour bientôt, détecter des signes de vie qui pourraient être cachés dans des pixels de lumière capturés dans ces mondes lointains et sombres.

La première exoplanète à éclater sur la scène mondiale était 51 Pegasi b, uneJupiter chaud50 années-lumière de distance qui est verrouillé sur une orbite de quatre jours autour de son étoile. L'année charnière était 1995. Tout d'un coup, les exoplanètes étaient une chose.

Lorsqu'une planète passe directement entre son étoile et un observateur, elle diminue la lumière de l'étoile d'une quantité mesurable. Vidéo via NASA/JPL-Caltech

Mais quelques indices avaient déjà émergé. Une planète maintenant connue sous le nom de Tadmor a été détectée en 1988, bien que la découverte ait été retirée en 1992. Dix ans plus tard, des données de plus en plus nombreuses ont définitivement montré qu'elle était vraiment là après tout.

Et un système de troisplanètes de presseavaient également été détectés, à partir de 1992. Ces planètes orbitent autour d'un pulsar à quelque 2 300 années-lumière. Les pulsars sont des cadavres d'étoiles mortes à haute densité et en rotation rapide, ratissant toutes les planètes en orbite autour d'eux avec des lances de rayonnement brûlantes.

Nous vivons maintenant dans un univers d'exoplanètes. Le nombre de planètes confirmées est de 3 700 et est en augmentation. Cela ne provient que d'un petit échantillon de la galaxie dans son ensemble. Le nombre pourrait atteindre des dizaines de milliers d'ici une décennie, à mesure que nous augmentons le nombre et la puissance d'observation des télescopes robotiques projetés dans l'espace.

Comment on est venu ici?

Nous sommes au bord d'un précipice de l'histoire scientifique. L'ère des premières explorations et des premières détections confirmées d'exoplanètes cède la place à la phase suivante : des télescopes plus précis et plus sophistiqués, dans l'espace et au sol. Ils iront large mais aussi approfondiront. Certains seront chargés de recenser de plus en plus précisément la population de ces mondes lointains, en précisant leurs multiples tailles et types. D'autres examineront de plus près les planètes individuelles, leurs atmosphères et leur potentiel à abriter une forme de vie.

L'imagerie directe des exoplanètes - c'est-à-dire des images réelles - jouera un rôle de plus en plus important, bien que nous soyons arrivés à l'état actuel de nos connaissances principalement par des moyens indirects. Les deux méthodes principales reposent sur les oscillations et les ombres. Lesméthode d'oscillation, appelévitesse radiale, surveille les tremblements révélateurs des étoiles lorsqu'elles sont tirées d'avant en arrière par les remorqueurs gravitationnels d'une planète en orbite. La taille de l'oscillation révèle lapoids, ou masse, de la planète.

Ce film évocateur de quatre planètes plus massives que Jupiter en orbite autour de la jeune étoile HR 8799 est une sorte de composite, comprenant des images prises sur sept ans au W.M. Observatoire de Keck à Hawaï. Image de Jason Wang/Christian Marois.

Cette méthode a produit les toutes premières détections confirmées d'exoplanètes, y compris51 Peg b en 1995, découvert par les astronomes Michel Mayor et Didier Queloz. Les télescopes au sol utilisant la méthode de la vitesse radiale ont découvert près de 700 planètes à ce jour.

Mais la grande majorité des exoplanètes ont été découvertes en recherchant des ombres : l'incroyable baisse de la lumière d'une étoile lorsqu'une planète croise sa face. Les astronomes appellent cette traversée untransit.

La taille de la baisse de la lumière des étoiles révèle la taille de la planète en transit. Sans surprise, cette recherche d'ombres planétaires est connue sous le nom demode de transport.

Le télescope spatial Kepler de la NASA, lancé en 2009, a trouvé près de 2 700 exoplanètes confirmées de cette façon. Maintenant dans sonMission K2, Kepler découvre toujours de nouvelles planètes, bien que son carburant devrait bientôt s'épuiser.

Chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients. Les détections d'oscillation fournissent la masse de la planète, mais ne donnent aucune information sur la circonférence ou le diamètre de la planète. Les détections de transit révèlent le diamètre mais pas la masse.

Mais lorsque plusieurs méthodes sont utilisées ensemble, nous pouvons apprendre les statistiques vitales de systèmes planétaires entiers - sans jamais imaginer directement les planètes elles-mêmes. Le meilleur exemple à ce jour est leSystème TRAPPIST-1à environ 40 années-lumière, où sept planètes à peu près de la taille de la Terre orbitent autour d'une petite étoile rouge.

Les planètes TRAPPIST-1 ont été examinées avec des télescopes terrestres et spatiaux. Les études spatiales ont révélé non seulement leurs diamètres, mais l'influence gravitationnelle subtile que ces sept planètes étroitement entassées ont les unes sur les autres ; à partir de là, les scientifiques ont déterminé la masse de chaque planète.

On connaît donc maintenant leurs masses et leurs diamètres. Nous savons également quelle quantité d'énergie rayonnée par leur étoile frappe la surface de ces planètes, permettant aux scientifiques d'estimer leurs températures. Nous pouvons même faire des estimations raisonnables du niveau de lumière, et deviner la couleur du ciel, si vous étiez debout sur l'un d'eux. Et bien que beaucoup de choses restent inconnues sur ces sept mondes, y compris s'ils possèdent des atmosphères ou des océans, des calottes glaciaires ou des glaciers, il est devenu le système solaire le plus connu en dehors du nôtre.

Où allons-nous?

La prochaine génération de télescopes spatiaux est à nos portes. Le premier étaitLancement mercredi de TESS, le satellite d'étude des exoplanètes en transit. Cet instrument extraordinaire effectuera une étude presque complète du ciel des étoiles les plus proches et les plus brillantes pour rechercher les planètes en transit. Kepler, l'ancien maître des transits, passera le flambeau de la découverte à TESS.

TESS, à son tour, révélera les meilleurs candidats pour un examen plus approfondi avec le télescope spatial James Webb, dont le lancement est actuellement prévu en 2020. Le télescope Webb, déployant un miroir géant, segmenté et collecteur de lumière qui montera sur un plate-forme, est conçue pour capturer la lumière directement des planètes elles-mêmes. La lumière peut alors être divisée en un spectre multicolore, une sorte de code à barres indiquant quels gaz sont présents dans l'atmosphère de la planète. Les cibles de Webb pourraient incluresuper-terres, ou des planètes plus grandes que la Terre mais plus petites que Neptune – certaines qui pourraient être des planètes rocheuses comme des versions surdimensionnées de la nôtre.

Une illustration des différentes missions et observatoires du programme exoplanètes de la NASA, présents et futurs. Image via la NASA.

On sait peu de choses sur ces grandes planètes, y compris si certaines pourraient convenir à la vie. Si nous sommes très chanceux, peut-être que l'un d'eux montrera des signes d'oxygène, de dioxyde de carbone et de méthane dans son atmosphère. Un tel mélange de gaz nous rappellerait fortement notre propre atmosphère, indiquant peut-être la présence de la vie.

Mais la chasse aux atmosphères semblables à la Terre sur des exoplanètes de la taille de la Terre devra probablement attendre une future génération de sondes spatiales encore plus puissantes dans les années 2020 ou 2030.

Grâce à l'enquête statistique du télescope Kepler, nous savons que les étoiles ci-dessus sont riches en compagnons planétaires. Et alors que nous regardons le ciel nocturne, nous pouvons être sûrs non seulement d'une vaste multitude d'exoplanètes voisines, mais d'autre chose : l'aventure ne fait que commencer.

Bottom line: Les mondes en orbite autour d'autres étoiles sont appelésexoplanètes. Comment nous savons qu'ils sont là-bas, ainsi que la possibilité d'en trouver plus via la mission TESS récemment lancée.

Lire la suite : Le chasseur de planètes TESS en route