Planètes extrasolaires : nouvelles clés, nouveaux défis

lundi 24 janvier 2011
par  Neimad
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Compte-​​rendu de la confé­rence « Pla­nètes extra­so­laires : nou­velles clés, nou­veaux défis », le 19 janvier 2011 au Muséum d’Histoire Naturel de Nantes, par Mme Anne-​​Marie LAGRANGE, de l’Institut de Pla­né­to­logie et d’Astrophysique de Gre­noble, astro­phy­si­cienne, direc­trice de recherche au CNRS et coor­di­na­trice du pro­gramme national sur les exo­pla­nètes, sur l’invitation de la Société d’Astronomie de Nantes.

 Chronologie


1984 : détection d’un disque de pous­sière autour de l’étoile Beta Pic­toris, illus­trant la manière dont notre système solaire se serait formé, il y a 4,4 mil­liards d’années

1995 : découvert de la pre­mière planète extra­so­laire autour de 51 Peg (constel­lation du Pégase)

2000 : une dizaines d’exoplanètes identifiées

2011 : plus de 519 exoplanètes identifiées.

 Problématique


Quelles sont les pla­nètes détectées ? N’y a-​​t-​​il que des géantes gazeuses ? Tous les sys­tèmes solaires sont-​​ils iden­tiques ? Les décou­vertes réa­lisées depuis une quin­zaine d’années ont montré une grande diversité de sys­tèmes solaires.

 Vocabulaire


UA = distance terre-​​soleil (Jupiter est à 5 UA du soleil)

1 M Jup = 1 fois la masse de Jupiter (317,8 fois celle de la Terre) Disque d’accrétion : disque de pous­sière où se forment les pla­nètes au début de la vie d’un système solaire

Zone habi­table = dis­tance de la planète à l’étoile dans laquelle l’eau – s’il y en a – serait à l’état liquide (plus près de l’étoile, elle serait à l’état gazeux ; plus loin elle serait à l’état de glace)

 L’accélération des décou­vertes est liée à l’utilisation de nou­veaux moyens de détection


La découvert de 51 Peg en 1995 est liée à l’utilisation d’une nou­velle tech­nique de détection, de même que les deux boom de 2002 (on est passé de 19 pla­nètes par an à 29 par an) et celle de 2007 (on est passé de 29 par an à plus de 100…).

Le rythme est actuel­lement d’une nou­velle planète détectée tous les trois jours, si bien qu’Anne-Marie Lagrange disait ne pas connaître le nombre exact de pla­nètes : « Je n’ai pas regardé mes mails ce matin ».

 Les méthodes de détection


  1. La méthode radiale
  2. La méthode des transits
  3.  L’imagerie



1) La méthode radiale


Le mou­vement des pla­nètes per­turbe le mou­vement de l’étoile. Le cycle de cette per­tur­bation cor­respond à la révo­lution de la planète autour du son étoile, soit 8 cm/​s. sur un an pour la Terre, et 13 mètres/​s. sur 12 ans pour Jupiter. Cela implique d’avoir des moyens de détection assez précis et d’observer les étoiles sur un cycle entier. Les pla­nètes majo­ri­tai­rement détectées seront donc celles qui seront les plus mas­sives (per­tur­bation impor­tante) et les plus proches de l’étoile (cycle court).

51 Peg, la pre­mière exo­planète détectée, l’a été avec ce moyen. Ses carac­té­ris­tiques sont les suivantes :

0,47 M Jup 0,05 UA Révolution de 4,2 jours


51 Peg a réservé une sur­prise. Cette exo­planète est vingt fois plus proche de son étoile que nous sur Terre. Il s’agit pourtant d’une géante gazeuse. Il s’agit du premier « Jupiter chaud ». Les astro­phy­si­ciens ne pen­saient pas qu’une géante gazeuse pouvait se trouver aussi près de son étoile, étant donné les théories sur la for­mation des sys­tèmes solaires. L’explication la plus pro­bable est que celle planète se soit rap­prochée de son étoile après sa for­mation dans le disque d’accrétion.

La majorité des exo­pla­nètes détectées sont des géantes gazeuses de type 51 Peg, ou ce qu’on appelle des « super­terre » étant donné leur masse (2 à 15 masses terrestres).

Les sys­tèmes solaires détectés s’avèrent de plus en plus com­plexes. On découvre souvent plu­sieurs pla­nètes là où l’on a com­mencé à en détecter une. En 1998, par exemple, on avait détecté une exo­planète autour de l’étoile GI876. En 2000, on en détecta une de plus. Même chose en 2005 et en 2010, pour un total de 4 exo­pla­nètes. Les sys­tèmes détectés sont le plus souvent multiplanétaires.

Certaines exoplanètes sont à la limite de la zone habitable.



2) La méthode des transits


La méthode par transit consiste à détecter la variation de lumi­nosité d’une étoile quand une planète passe entre l’étoile et nous. La variation de lumi­nosité est très faible et soumis à la période la révo­lution de la planète autour de son étoile (comme pour la méthode radiale). Ainsi, en com­parant avec la lumi­nosité de notre soleil, l’éclat varierait de 1% tous les 12 ans pour une masse iden­tique à celle de Jupiter, et de 0,01% tous les ans pour une masse iden­tique à celle de notre Terre.

Cette méthode a permis également de déter­miner le contenu de géantes gazeuses (en rap­pro­chant sa taille de sa dis­tance à l’étoile cen­trale, on obtient sa masse ; or le rapport de la taille à la masse permet de déter­miner le contenu de la planète, l’hydrogène étant par exemple plus léger que le métal). Cela a permis de montrer leur variété : les géantes gazeuses ne pos­sèdent pas les mêmes rap­ports en hydrogène et en éléments lourds.

Grâce à cette méthode, on a peut détecter sur HD189733b (« b » pour dire « pre­mière planète après l’étoile »), une planète de 1,15 M Jup, de l’eau et du dioxyde de carbone, des éléments néces­saires à la vie, mais la tem­pé­rature à sa surface est estimée à 1700 degrés Kelvin, soit plus de 2000 degrés Celsius !

L’utilisation de la méthode des transits par le satellite CORO n’a duré que quelques mois. Il ne pouvait donc détecter que les pla­nètes à courte période.


3) L’imagerie


La tech­nique de l’imagerie est actuel­lement la moins efficace des trois méthodes de détection, mais elle permet d’étudier les atmo­sphères des pla­nètes et de détecter des pla­nètes dans des sys­tèmes solaires qui ne pou­vaient pas être atteints par la méthode radiale (le système solaire doit être de biais par rapport au nôtre) ou par la méthode des transits (le système solaire doit être de face par rapport au nôtre). Plus directe, cette méthode a l’avantage de pouvoir détecter des signa­tures de vie (atmo­sphère, couleur et surface de la planète).

La dif­fi­culté consiste à « capter » l’image d’une planète à l’intérieur de la lumière de l’étoile. Pour donner un exemple, la pro­portion est de 1/​100 000 pour la lumi­nosité de Jupiter par rapport à celle du Soleil, et de 1/​5 mil­lions pour celle de la Terre. Cette dif­fi­culté est accentuée par la réfraction de la lumière dans l’atmosphère. Plu­sieurs solu­tions ont été trouvées pour contourner le problème :

  1. L’optique adap­tative (tous les gros téles­copes en sont équipé), une invention fran­çaise, à l’origine uti­lisée par les satel­lites espions pour observer la surface ter­restre au travers de l’atmosphère
  2. L’utilisation de téles­copes spa­tiaux
  3. La coro­no­graphie (l’utilisation d’un cache au milieu de la lentille)


La tech­nique de l’imagerie, associée à l’optique adap­tative, tech­nique a permis de détecter des pla­nètes dans le disque d’accrétion de Beta Pic­toris (constel­lation du Peintre) et dans le disque de Fomalhaut (constel­lation du Poisson).

 Biais méthodologiques


Tous les télé­scopes cherchent des exo­pla­nètes autour d’étoiles jeunes, dis­persées dans l’espace et proches de nous.

La plupart des exo­pla­nètes détectées sont des géantes gazeuses car elles sont plus faciles à détecter avec nos moyens actuels. Les pla­nètes trop petites (de la taille de la Terre) ou trop éloi­gnées de leur étoile (avec des périodes de révo­lution trop longue) restent donc invisibles.

De même, les tâches solaires per­turbent nos moyens de détection. Avec la méthode radiale, par exemple, Il est dif­ficile de dire si les fluc­tua­tions de lumière sont dues à l’activité solaire ou la per­tur­bation causée par le passage d’une planète. Or, les tâches solaires sont liées à l’âge des étoiles. C’est pour cela que les astro­phy­si­ciens détectent majo­ri­tai­rement des étoiles jeunes, avec des pla­nètes encore chaudes, où le système solaire est en train de se former (jusqu’à 10 mil­lions d’années maximum). Il est donc dif­ficile de détecter un système solaire avec une étoile comme la nôtre (4,6 mil­liards d’années), qui se carac­térise par une activité solaire intense.

En se pola­risant sur des pla­nètes simi­laires à la nôtre (eau à l’état liquide, dioxyde de carbone), on n’envisage pas la pos­si­bilité que la vie se soit déve­loppée à partir du soufre ou du méthane, dans la glace ou dans les fonds marins (remarque per­son­nelle)

 Evolution de la recherche


Les sys­tèmes solaires étant le plus souvent mul­ti­pla­né­taires, on continue à accentuer les recherches sur les étoiles déjà étudiées, Avec les nou­velles méthodes uti­lisées, on découvre des pla­nètes de plus en plus petites. En 2012, un nouveau télé­scope sera ins­tallé au Chili (VLT/​SPHERE), à la place du télé­scope actuel (VLT/​NACO, 8,20 m. de dia­mètre). Un autre projet était prévu pour 2014 (JWST) mais un retard est déjà pro­grammé. En 2020, un énorme télé­scope de 42 m. de dia­mètre devrait voir le jour (ELT ou Extremely Large Telescope). Un télé­scope spatial du nom de SPICES était également prévu mais le projet ne verra pas le jour pour des raisons financières.

Les pro­grammes euro­péens sont en com­pé­tition avec les pro­grammes amé­ri­cains. A noter que les Français se dis­tinguent notamment par la forte activité des astro­bio­lo­gistes (réponse donnée par Mme Lagrange à une question que je lui ai posé à la fin de la confé­rence), les astro­phy­si­ciens qui étudient les pos­si­bi­lités d’une vie extra-​​terrestre, en par­ti­culier sur Titan (satellite de Saturne) et Europe (satellite de Jupiter).

La recherche future se tourne vers la détection de pla­nètes de la zone habi­table et ensuite vers la détection de traces de vie. Cela a été posé par Mme Lagrange comme une évidence.

A l’heure actuelle, une ving­taine d’exoplanètes sem­blables à la Terre a été détectée, des exo­terres, ainsi qu’une liste de can­di­dates poten­tielles. Selon Mme Lagrange, ce « secret est très bien gardé ».

Hier encore, nous disait-​​elle, on riait à l’idée de rechercher des exo­pla­nètes. Main­tenant que l’on en détecte régu­liè­rement, doit-​​on s’étonner que les astro­phy­si­ciens recherchent des traces de vie ?

 Question du public


Tous les sys­tèmes solaires pos­sèdent –ils des pla­nètes ? Est-​​ce la norme pour une étoile d’avoir des planètes ?

Réponse de Mme Lagrange : 80% des étoiles sont des naines brunes. 20% des étoiles res­tantes sont sem­blables à notre soleil. La moitié d’entre elles pos­sèdent plu­sieurs pla­nètes (10% de géantes gazeuses et 40% de pla­nètes), soit 10% des étoiles, « ce qui est déjà énorme ».


Pour rappel, la Voie Lactée com­prend 100 mil­liards d’étoiles. Il n’y aurait donc, dans notre seule galaxie, "que" 10 mil­liards de sys­tèmes solaires sem­blables au nôtre… Au total, il y aurait 70 mille tril­lions d’étoiles dans l’univers, soit 7 suivi de 22 zéros, en ne comptant que les étoiles de l’univers visible (c’est-à-dire sans parler de la matière noire). A noter que les naines brunes sont exclues du calcul alors que l’on a déjà détecté des pla­nètes autour…

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Le monde est étrange, vous ne trouvez pas ?



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mardi 20 janvier 2015 à 15h29 - par  Noor

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