Grèce, quatrième siècle avant notre ère

Afin donc que notre monde fût semblable en unité à l’animal parfait, l’auteur n’en a fait ni deux, ni un nombre infini ; il n’est né que ce ciel unique et il n’en naîtra plus d’autre. (Platon, Le timée)

Ce n’est pas seulement le nombre des atomes, c’est celui des mondes qui est infini dans l’univers. Il y a un nombre infini de mondes semblables au nôtre et un nombre infini de mondes différents. (Épicure, Lettre à Hérodote)

Dès l’antiquité, la question de la pluralité des mondes est activement débattue. Il s’agit de savoir si notre planète est unique ou au contraire banale dans l’univers. D’un côté Platon croit en une unicité absolue de notre monde. De l’autre Épicure imagine une infinité de mondes semblables et différents du nôtre. Bien sûr, il y a la question sous-jacente de l’existence d’une autre forme de vie, semblable ou pas à la nôtre que nous évoquerons à la fin de ce dossier. Mais même sans parler de petits hommes verts, j’aimerais montrer que la question de la singularité de notre monde sous-tend toute l’histoire de l’astronomie et qu’elle est loin d’être réglée. Notre Terre est-elle unique ? Notre système solaire est-il unique ? S’il existe d’autres systèmes, est-ce que leurs planètes ressemblent aux nôtres ? Si les biais d’observation (religieux, philosophiques, techniques) changent, certaines incertitudes demeurent. Après un rappel historique, ce dossier propose de décrire les différentes techniques d’observation (et leur biais actuels), qui permettent de répondre à certaines questions sur ces autres mondes.

De l’antiquité à 1995

Durant 10 siècles, en Occident, c’est le système de Ptolémée qui domine l’astronomie. Celui-ci place la Terre au milieu de l’univers (système géocentrique) et tout tourne autour sur des sphères de cristal de plus en plus vastes. Le soleil, les autres planètes (Mars, Venus, Jupiter sont déjà connues) sur des sphères proches et même les autres étoiles, qui « tournent » aussi dans ce référentiel. Du coup, par sa position, la Terre se retrouve unique non seulement au sein du système solaire, mais au sein de l’univers.

Pour expliquer toutes ces « bizarreries », les astronomes adeptes de Ptolémée ont créé un système très technique, mais vraiment assez tordu avec des cercles dans des

cercles dans des cercles (Comme un spirographe !). Au moins pour les orbites des planètes, le système copernicien tend vers plus de simplicité. C’est d’ailleurs un de ses arguments principaux, celui de beaucoup de ses contradicteurs étant plutôt de type religieux :

Et l’on peut comparer l’œuvre [des astronomes adeptes de Ptolémée] à celle d’un homme qui, ayant rapporté de divers lieux des mains, des pieds, une tête et d’autres membres – très beaux en eux-mêmes mais non point formés en fonction d’un seul corps et ne se correspondant aucunement -, les réunirait pour en former un monstre plutôt qu’un homme. (Copernic, Des Révolutions des orbes célestes, 1530)

Attention, en voulant nier à la Terre son unicité, il va jusqu’à appeler les autres planètes des Terres et n’imagine pas que ces astres sont extrêmement différents du notre. Enfin le père de l’astrophysique (et de la physique moderne ?), Newton (1643-1727), va définitivement faire admettre les thèses de Copernic en proposant une théorie de la gravitation qui explique parfaitement ce que tous voient. Il est alors parfaitement possible d’imaginer d’autres systèmes en interaction gravitationnelle. Cependant il garde un biais religieux important qui lui fait penser que tous les systèmes sont exactement identiques.

Et si les étoiles fixes sont les centres de systèmes semblables, ils seront alors tous construits selon le même concept et sujets à la domination de l’Un.(Isaac Newton)

Premier soir. Que la Terre est une Planète qui tourne sur elle-même, & autour du Soleil.

Second soir. Que la Lune est une Terre habitée.

Troisième soir. Particularités du Monde de la Lune. Que les autres Planètes sont habitées aussi.

(Bernard Le Bouyer de Fontenelle, Entretiens sur la pluralité des mondes)

De Newton a 1995 : développement en astronomie et exploration du système solaire

Durant cette période va naitre l’astrophysique, qui va permettre de découvrir beaucoup de choses sur les étoiles et les planètes qui nous entourent. Leurs définitions se précisent :

une étoile c’est quelque chose qui brûle du combustible dans l’espace par un processus de fusion. Pour qu’une étoile commence à « brûler » de l’hydrogène il faut qu’elle soit assez chaude, donc assez dense (pour que les atomes soient assez proches les uns des autres), donc assez massive (pour que la force gravitationnelle permette d’obtenir cette densité). La limite pour qu’un objet gazeux soit une étoile est donc de 0.07 masse solaire. Il y en a des milliards (entre 100 et 400 milliards) dans notre galaxie de masses et luminosités différentes.

c’est quelque chose qui brûle du combustible dans l’espace par un processus de fusion. Pour qu’une étoile commence à « brûler » de l’hydrogène il faut qu’elle soit assez chaude, donc assez dense (pour que les atomes soient assez proches les uns des autres), donc assez massive (pour que la force gravitationnelle permette d’obtenir cette densité). La limite pour qu’un objet gazeux soit une étoile est donc de 0.07 masse solaire. Il y en a des milliards (entre 100 et 400 milliards) dans notre galaxie de masses et luminosités différentes. une planète tourne autour d’une étoile et ne brûle pas de combustible. Le premier élément à se mettre en fusion est le deutérium et cela arrive pour une masse supérieure à 13 masses de Jupiter, qui est donc la masse limite d’une planète. Elles peuvent être gazeuses ou rocheuses. Leur taille et atmosphère sont très variables. Contrairement à ce que pensait Fontenelle elles ne sont pas toutes habitées (voire aucune pour le moment en fait)

tourne autour d’une étoile et ne brûle pas de combustible. Le premier élément à se mettre en fusion est le deutérium et cela arrive pour une masse supérieure à 13 masses de Jupiter, qui est donc la masse limite d’une planète. Elles peuvent être gazeuses ou rocheuses. Leur taille et atmosphère sont très variables. Contrairement à ce que pensait Fontenelle elles ne sont pas toutes habitées (voire aucune pour le moment en fait) (pour ceux qui calculent vite et qui ont vu qu’il y a un écart entre la masse maximum d’une planète (< 13 masses de Jupiter) et la masse minimum d’une étoile ( > 0.07 masse solaire soit 83 masses de Jupiter), à cet endroit se trouve les naines brunes . Ce sont en quelque sorte des étoiles qui ne se sont pas allumées. On en a trouvé quelques une mais étonnamment peu.)

. Ce sont en quelque sorte des étoiles qui ne se sont pas allumées. On en a trouvé quelques une mais étonnamment peu.) une exoplanète (de exo qui veut dire extérieur en grec) c’est une planète qui ne tourne pas autour du soleil, mais d’une autre étoile.

Le XXème siècle est le temps de l’exploration de notre système solaire. Les premières sondes soviétiques puis américaines ont permis d’aller voir de près la Lune (et sa face cachée) dès la fin des années 50. Puis, dans les années 60, Vénus, Mercure et Mars sont approchées. Dans les années 70, on va survoler les grandes planètes gazeuses (Jupiter et Saturne). Enfin la sonde voyageur 2 portera bien son nom puisque lancée en 1977, elle permettra a elle seule le survol de Jupiter et de ses satellites (1979), Saturne et de ses satellites (1981), et sera la seule sonde a rendre visite à Uranus et ses satellites (1986) et Neptune (1989). Elle continue depuis sa lancée et est récemment sortie du système solaire. Les années 90 et 2000 ont permis en particulier une analyse plus fine des objets ayant le plus de chance d’abriter la vie (3 rovers martiens, un impacteur sur Titan). Alors que Curiosity est en train de continuer sa mission sur Mars et que la sonde Rosetta va analyser les dernières inconnues de notre système solaire, les comètes, on s’est déjà fait à l’idée que notre planète Terre est tout de même assez unique dans le système solaire. Il va donc falloir chercher ailleurs.

En 1995, Mayor et Queloz (de l’observatoire de Genève) annoncent la découverte de la première planète tournant autour d’une étoile de type solaire avec l’instrument ELODIE qui se trouve à l’observatoire de Haute Provence. Elle a été trouvée autour de l’étoile 51 Pégasi et elle s’appelle donc 51 Pégasi b (si 51 Pégasi avait eu plus de planètes, ça aurait été 51 Pégasi b, 51 Pégasi c, etc.). Ils ont eu du mal à croire ce qu’ils voyaient au début car cette planète fait la moitié de la masse de Jupiter, mais est située à une distance d’un millième de la distance Jupiter Soleil. Donc une énorme géante gazeuse tellement proche de son étoile qu’elle en fait le tour en… 4 jours. Ils venait de découvrir une planète qui n’existait pas chez nous et dont ils ne soupçonnaient pas l’existence : une Jupiter chaude.

Le nez dans les étoiles, les pieds sur Terre

Trouver des informations en astronomie (et d’ailleurs en physique d’une manière générale), c’est un peu comme voir un phare dans la nuit sur un bateau et d’en déduire le maximum d’informations (la distance, la hauteur du phare, la puissance, la marque de l’ampoule et l’âge du gardien). On a accès par la mesure à certaines informations : la puissance lumineuse reçue au niveau de notre bateau, l’angle entre la mer et le phare, la couleur de la lumière. On a aussi accès à certaines lois physiques : propagation de la lumière, distance en prenant en compte la courbure de la Terre… En combinant les deux (mesures et lois physiques), on peut en déduire toutes les caractéristiques du phare : par exemple si vous connaissez parfaitement la distance et que vous mesurez la puissance reçue, vous pouvez en déduire le pourcentage de lumière qui vous parvient et donc en déduire la puissance totale du phare. Et chaque accès à une information par une méthode débloque d’autres informations en utilisant d’autres lois.

Pour trouver des informations sur les planètes on doit donc connaître parfaitement les étoiles. Pour cela, on va regarder quelles mesures sur l’étoile (= le phare) on obtient depuis la Terre (= notre bateau). Ainsi, on a accès rapidement à 3 mesures sur une étoile (le spectre –couleur de la lumière –, la position dans le ciel en fonction du temps et la puissance émise). D’un autre côté, on a toute une panoplie de « lois physiques » bien vérifiées sur Terre qui vont nous donner plein d’informations sur les étoiles. Par exemple, un peu de géométrie simple utilisant la variation dans le ciel de l’étoile et la position de la Terre, permet de déduire des distances (méthode de la parallaxe. Pour les biologistes, c’est exactement la même méthode qui permet à notre cerveau d’évaluer des distances à partir de ce que voient les deux yeux indépendamment). A partir de cette distance, on peut déduire la puissance totale dégagée par l’étoile. La théorie électromagnétique, permet, à partir de l’étude du spectre, de connaître la température de l’étoile et sa composition chimique. Les lois des transferts de chaleurs (transferts radiatifs) et la gravitation nous renseignent sur comment l’énergie circule dans l’étoile en fonction de sa masse de sa taille, de sa densité. Par exemple :

Luminosité/(Masse 3 ) = Constante,

) = Constante, Luminosité/(4πRayon2.Température4) = Constante (loi de Stefan-Boltzmann)

qui nous donne accès au rayon et à la masse de l’étoile (on peut aussi calculer des âges avec ces théories). Les étoiles sont donc très bien connues et on va utiliser ces données pour déduire des informations précises sur leurs planètes, en utilisant ces données calculées, combinées à d’autres lois physiques. Toujours sur l’analogie du bateau et du phare, si vous voyez que de temps en temps la lumière diminue, vous pouvez en déduire que le gardien est devant la lampe pour allumer sa pipe et en déduire sa consommation de tabac.

Méthodes de détection

On connaît à ce jour environ 1000 exoplanètes confirmées et des milliers de candidats (découvertes pas encore confirmées). Mais comment les trouve-t-on et quelles informations peut-on en déduire ?

Transits

On va observer la luminosité d’une étoile et chercher des baisses. Pour confirmer cette planète, on doit vérifier que cette baisse est périodique. Par exemple, pour regarder la Terre (un tour = 1 an) depuis une autre planète, on devrait regarder 4 ou 5 ans, pour voir cette baisse de luminosité se passer plusieurs fois. A quelles informations a-t-on accès avec cette méthode ?

On connaît : rayon, masse et luminosité de l’étoile. Donc l’amplitude de la baisse de luminosité donne le pourcentage de surface cachée par la planète, donc son rayon. La période du transit va permettre de trouver la distance étoile – planète grâce à la relation de Kepler (je vous avais dit qu’on reparlerait de Kepler). On pose a est le rayon de la trajectoire (en gros distance étoile – planète) et T la période de l’orbite, M E la masse de l’étoile. On a alors :

a3/T2 = GM E /(4π2) = Constante

pour toutes les planètes d’un même système (ce qui était la propriété trouvée par Kepler, il y a 450 ans). La masse de l’étoile est connue. Donc à partir de la période, on a l’orbite de la planète. Avec cette méthode seulement, on ne peut pas trouver la masse, donc la densité.

Inconvénients : on ne voit que les planètes qui transitent ! C’est-à-dire celles qui passent entre nous et leur étoile à un moment. Elles doivent donc être dans le plan qui contient la droite Soleil – étoile. On peut avoir un peu de jeu sur cet angle si la planète est très proche. Si elle est loin, il faut que l’angle soit parfait. C’est pourquoi on a assez peu de planètes découvertes ainsi et que celles-ci sont souvent très proches de leur étoile (donc souvent des Jupiters chaudes).

Découvertes : Avec les transits, on en est à 424 planètes confirmées dans 321 systèmes différents. Mais deux missions (Corot, lancée par la France et Kepler, en hommage à l’astronome, par la NASA) ont fait le plein de détections pas encore totalement confirmées et il y a des milliers de candidats. On a aussi trouvé la plus petite planète à ce jour par cette méthode : Kepler 64b a un rayon de 0.3 Rayon terrestre (quasiment le rayon de Mercure).

Vitesses radiales

Méthode qui a permis de trouver le plus de planètes à ce jour. C’est aussi avec cette méthode que l’on a trouvé la première (51 Pégasi b). Elle utilise l’effet Doppler (ou effet de l’ambulance-qui-passe-vite-dans-la-rue). Cet effet fait que, quand une onde arrive vers nous, elle a tendance à avoir une période légèrement raccourcie (et le contraire quand elle s’éloigne). Donc si l’étoile se rapproche de nous, la longueur d’onde de la lumière qu’elle nous envoie va diminuer (donc sa lumière va changer, se bleuir un petit peu, en remontant les couleurs de l’arc en ciel), si elle s’éloigne, cette longueur d’onde va augmenter (décalage des raies vers le rouge). Donc on peut calculer une vitesse de l’étoile par rapport à nous. Celle-ci a un mouvement moyen (si elle dans une autre région de la galaxie, elle peut s’éloigner ou se rapprocher de nous par exemple). Mais si cette vitesse fait du yoyo, ça veut dire qu’il y a un truc qui la tire soit vers nous, soit dans l’autre sens. Si c’est périodique, on a une planète. L’amplitude du cycle des vitesses donne « l’importance de la perturbation gravitationnelle induite par la planète », et donne donc accès à la masse de la planète (puisqu’on connaît celle de l’étoile). La forme de la courbe nous donne accès à tous les paramètres orbitaux de la planète, mais pas son rayon. Si ça fait du yoyo dans plusieurs sens, on ajuste la courbe à celle d’un modèle à 2, 3, … , N planètes et regarder ce qui est le plus probable. En combinant Transits et Vitesses Radiales, on connaît parfaitement la planète… enfin ses paramètres orbitaux (rayons, masses, orbite) : on ne connaît pas directement sa température et on n’a aucune information sur son atmosphère potentielle.

Inconvénients : Avec cette méthode, on peut aussi accéder à des planètes (un peu) plus loin de leur étoile et on peut voir dans tous les plans. Mais on reste sur des planètes très proches de leur étoile.

Découvertes : C’est la méthode qui permet le plus de détections. On en est à 539 planètes pour 405 systèmes différents. La plupart de ces planètes ont été trouvées par l’équipe de Mayor & Quéloz de Genève avec le successeur de l’instrument ELODIE qui s’appelle SOPHIE. Cette méthode a permis la première détection et aussi le système avec le plus de planètes à ce jour : HD 10180 a au moins 7 planètes et peut être 9.

Méthodes directes

Donc il faut faire intervenir les détections directes. Là, dans ce cas, il faut réussir à faire une image de la planète, à capter certains de ses photons. Le problème c’est que l’étoile est plusieurs milliards de fois plus lumineuse (ratio de luminosités Soleil/Jupiter de 107 Soleil/ Terre de 1011) à seulement quelques 0.1 secondes d’arc (une seconde d’arc c’est 1/60 minute d’arc, qui est 1/60 de degré. Donc 0.1 secondes d’arc = 1/36000 degrés d’écart dans le ciel). Donc il faut réussir à trouver 1 photon de la planète au milieu de 10 milliards de photons venant de l’étoile. En ordre de grandeur, c’est comme essayer de voir une luciole à 1m à côté du phare de Créac’h (le plus puissant d’Europe, sur l’ile d’Ouessant en Bretagne) depuis… Moscou.

La méthode la plus en pointe pour l’observation directe utilise des coronographes. Ça a été inventé à l’observatoire de Paris en 1920 pour observer la couronne du soleil sans être « ébloui » par le soleil. En gros il s’agit de créer une éclipse artificielle. Du coup, les gens ont eu l’idée de reprendre ces vieux machins pour « éclipser » les étoiles pour regarder les planètes.

Inconvénients : Pour le moment, on peut à peu près effacer une étoile 106 fois plus brillante que sa planète. Par opposition aux deux précédentes, on voit des étoiles plutôt loin (si on est trop près on est ébloui). Il faut aussi qu’elles soient grosses et jeunes (qu’elles émettent beaucoup de lumière). Les meilleurs instruments actuels pourraient détecter une planète comme Jupiter autour d’une étoile comme le soleil.

Découvertes : Avec cette technique, on en est à 44 planètes dans 40 systèmes différents. C’est la seule méthode qui permet d’avoir des « images » des planètes (voir dossier). L’intérêt d’avoir accès aux photons, c’est que l’on va pouvoir faire de la spectroscopie, et déduire toutes les informations de température et de composition (commencer une vraie analyse de la planète).

Microlentilles gravitationnelles

Méthode la plus compliquée théoriquement, on va utiliser la relativité générale qui dit qu’une masse importante dévie la lumière passant a proximité. Donc en observant longtemps une étoile en fond assez stable on peut parfois voir une augmentation brusque de la lumière. Sous certaines hypothèses, on peut en déduire qu’une étoile est passée devant, a dévié localement la lumière, comme une loupe, et a joué le rôle de « lentille gravitationnelle ». Si on a un pic de luminosité suivi ou précédé d’un plus petit pic, il s’agit donc d’un système étoile + planète. Le temps de l’événement est de quelques jours à quelques semaines pour l’étoile (pic principal), et de quelques minutes à quelques heures pour la planète (pic secondaire).

Inconvénients : Par cette méthode, on trouve des astres qu’on ne voit pas. On n’a aucune idée de leur direction et donc on sait que l’on ne les reverra pas. Il s’agit d’une détection unique et non reproductible. Mais qui permet de voir des choses parfois invisibles par d’autres méthodes.

Découvertes : On a 25 planètes dans 23 systèmes pour le moment avec cette méthode, mais on ne sait pas où elles sont. Des « free-floating planets » qui sont des planètes (éjectées de leur orbite par exemple ?) qui ne tournent autour d’aucune étoile ont été découvertes ainsi.

En conclusion

Pour le moment, on a trouvé beaucoup de Jupiters chaudes. Ça veut dire :

qu’il y a des planètes vraiment différentes de celles qu’on a dans nos systèmes. Ça fait aussi remettre en question la façon dont les systèmes solaires sont créés : est-ce que toutes les Géantes gazeuses sont créées près de leur étoile pour après s’éloigner (phénomènes de migration) ?

que l’on a des biais instrumentaux importants pour le moment, mais certaines études prévoient une augmentation du nombre de planètes quand on descend en taille.

Zone habitable

Certaines de ses planètes ont été trouvées dans des « zones habitables », au sens où en connaissant les caractéristiques de l’étoile (éclairement) et sa distance à la planète, on peut évaluer une température de surface qui pourrait autoriser de l’eau liquide. Mais en fait on ne sait pas du tout si la vie est possible sur ces autres planètes, car on n’a aucune idée des températures effectives, dépendant beaucoup de la composition et de la présence de l’atmosphère. Mars est par exemple dans la zone habitable du système solaire. Mais pour finir sur une note positive, je redonne la parole à Giordano Bruno :

Il est impossible qu’un être rationnel suffisamment vigilant puisse imaginer que ces mondes innombrables, aussi magnifiques qu’est le nôtre ou encore plus magnifiques, soient dépourvus d’habitants semblables et même supérieurs, Giordano Bruno, L’Infini, l’Univers et les Mondes, 1584

Annexe : Bestiaire d’exoplanètes remarquables.

– La plus proche :

L’étoile la plus proche du Soleil (seulement 4.22 A.L.) Alpha Centauri possède une exoplanète. C’est un système compliqué composé de trois étoiles (appelons les α-Cent A α-Cent B et α-Cent C) et d’une planète. α-Cent A et α-Cent B orbitent l’une autour de l’autre (en 80 ans environ). La planète découverte tourne autour de α-Cent B seulement et s’appelle donc α-Cent Bb. α-Cent C, beaucoup plus petite et très loin (aussi appelé Proxima du Centaure, car c’est celle des trois qui est la plus proche) tourne autour du couple α-Cent A et α-Cent B en un temps compris entre 0.5 et 2 millions d’années.

– Celle qui a le plus de couchers de soleil !

Kepler-64b gravite en 138 jours dans un système comportant quatre étoiles (à 5000 A.L. de la Terre). Il comporte en son centre deux étoiles, de 0,41 et 1,5 masse solaire, tournant l’une autour de l’autre en 20 jours. Autour de ce couple gravite à 0,6 distance terre-soleil, l’exoplanète Kepler-64b (2 masses de Jupiters). Mais beaucoup plus loin, à environ un millier de distances Terre-Soleil, gravite une autre paire d’étoiles.

– Celle qui a le moins de couchers de soleil

Certaines planètes dérivent dans l’espace sans étoile. On les appelle les free-floating planets, mais certaines personnes pensent que ces objets ne rentrent pas dans la définition de planètes. Pour certaines, on pense qu’elles ont été éjectées de leur système. Il est possible que le système solaire ait éjecté des planètes plus tôt dans son histoire. On peut les détecter par microlentilles gravitationnelles.

– La plus petite

Kepler 37b a un rayon de 0.3 Rayon terrestre (quasiment le rayon de Mercure). Elle a été trouvée par transit.

– Celles qui forment un système planétaire

HD 10180 a au moins 7 planètes et peut être 9.

– Celle qui vaut le plus cher

55 Cancri e a été observée en transit et en vitesses radiales. Donc on a pu très bien la caractériser. Et on s’est aperçu qu’elle avait une densité grande comparée à la plupart des planètes telluriques. D’après une étude, elle serait peut être constituée de graphite avec un cœur en diamant.

– Celles pour lesquelles on a des images :

Voici une photo qui a été prise en 2010 (équipe canadienne et américaine) du système HR8799 de 4 grosses planètes autour d’une étoile. On ne voit pas l’étoile c’est normal, ils ont réussi à l’effacer. On a commencé à faire de la spectroscopie sur ces corps et on a trouvé cette année des raies d’absorption d’eau et de monoxyde de carbone dans le spectre de HR8799c.

Ci dessous, une image d’une autre planète autour de l’étoile β-pictoris (découverte 2009, par une équipe française) et de son compagnon β-pictoris b. Autour de l’étoile il y a aussi un anneau de débris (petits corps / poussières) que l’on peut voir dans une autre longueur d’onde.

Liens : Très bonne vidéo (en anglais) sur les méthodes de détections des exoplanètes, par l’auteur du blog PhD comics : http://www.youtube.com/watch?v=zFPnOUSdMdc