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La réalité plus forte que la fiction : détection d’une exoplanète avec trois "soleils" ! Cette recherche dans le cosmos, devenue un challenge mondial, passe par Marseille

De puissants instruments de détection et "d’analyse" des exoplanètes mis au point à Marseille (LAM et CNRS) puis installés sur le "Very Large Télescope" du Chili - Entretien avec Arthur Vigan chargé de recherche au LAM

mardi 15 mai 2018

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Voici une exoplanète en orbite autour d’un système stellaire triple, elle s’appelle Gliese 667 Cd. Au premier plan : son étoile hôte, celle qui lui apporte la chaleur, autrement dit "son soleil" ; au fond et à droite deux autres étoiles-soleils plus distantes (Gliese 667A et Gliese 667B) et sur la gauche, représentée en forme de croissant, une autre planète (Gliese 667Ce). C’est la toute première découverte d’un système ayant une zone "habitable" aussi bien remplie par des planètes (Crédit : ESO/M. Kornmesser)

Plus de 3 500 exoplanètes recensées à ce jour. C’est une quête extraordinaire que l’on découvre. Déjà sur bien des points la réalité a rattrapé la science-fiction. Souvenez-vous dans Star Wars de George Lucas, cette scène surréaliste où un homme regarde l’horizon illuminé par deux soleils qui se couchent… Deux soleils pour une même planète, eh bien oui ! Ce n’est plus de la Science-Fiction, c’est prouvé, cela existe. Comme ont été identifiées des exoplanètes-océan, de la taille de notre terre mais entièrement couvertes d’eau sans continent et d’autres rondes comme la nôtre mais où tout n’est que feu et volcans. Ces découvertes extraordinaires reposent sur la ténacité de quelques chercheurs qui, dans les années 1990, ont découvert qu’à partir du visible, autrement dit des étoiles, on pouvait révéler l’invisible, ces fameuses exoplanètes en orbite autour de leur étoile, à des distances plus ou moins éloignées.

Il a suffi d’un point noir et rond que l’on voyait se déplacer sur l’étoile observée et à un rythme récurrent pour en déduire qu’il s’agissait là d’une planète en orbite autour de son étoile-soleil. Dès le 17e siècle, on se doutait bien qu’il devait y avoir dans l’univers d’autres planètes que celles découvertes dans le système solaire, et on les appela les exoplanètes. Dans l’antiquité, déjà, des philosophes comme Démocrite ou Lucrèce concevaient qu’il devait y avoir d’autres mondes semblables à la Terre dans l’Univers... Mais il a fallu attendre le 19e siècle pour que les questions deviennent vraiment scientifiques. Étaient-elles habitables ces planètes ? Accessibles ? Une forme de vie pouvait-elle y exister ? L’envoi dans l’espace en 1961 de Gagarine a été une immense victoire pour la Russie qui a poussé l’Amérique et donc la Nasa à riposter par un acte solennel : envoyer des cosmonautes sur la lune et y planter un drapeau. A partir de là, c’est toute une nouvelle aventure dans l’espace qui s’est ouverte et par ricochet les exoplanètes situées à des années lumières étaient moins d’actualité. Il a fallu attendre 1995 pour que l’on découvre la première !

Une exoplanète un peu plus grosse que Jupiter

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Une mise en image de ce que pourrait être cette fameuse exoplanète découverte à la distance la plus proche de notre système solaire​ en orbite autour de Proxima​- ​Centauri avec des annotations pour faciliter l’identification des objets représentés (Photo Nasa)

Un événement mondial survenu dans notre région à l’Observatoire de Haute-Provence (OHP) grâce au spectrographe Élodie, conçu par André Barrane, astronome à l’Observatoire de Marseille. C’est avec ce spectrographe et le télescope de 1,93 m de diamètre de l’OHP que Michel Mayor et Didier Queloz, astronomes à l’Observatoire de Genève, ont découvert une exoplanète un peu plus grosse que Jupiter en orbite autour de l’étoile numéro 51 dans la constellation de Pégase. Un peu partout dans le monde, aujourd’hui, des milliers de chercheurs étudient les différents types de plusieurs milliers d’exoplanètes avec un attachement particulier pour 10 à 15 d’entre elles qui ont la particularité d’avoir une masse comparable à notre Terre. De l’une en particulier, en orbite autour de l’étoile « Proxima du Centaure » qualifiée « d’habitable » car à bonne distance de son étoile, donc ni trop chaude, ni trop froide, la chaleur qui en émane n’empêchant pas la présence d’une eau liquide, indispensable à la vie telle que nous la connaissons. Autre raison, elle est aussi la plus proche de notre planète. Ce qui est relatif : une sonde qui y serait envoyée mettrait quand même plus d’un millier d’années pour y parvenir... Mais, comme tout va désormais très vite, on peut imaginer que ce record puisse être rapidement battu. Des émules du Pr. Tournesol ont imaginé un carburant de la fulgurance de la foudre pour raccourcir le temps du trajet, d’autres cherchent le moyen de protéger des rayonnements caustiques les candidats à l’expédition en les mettant en hibernation, sauf que si on sait les hiberner, on ne sait pas encore les réveiller ! Bref, il faudra bien trouver une solution pour donner raison à cet étonnant génie qu’était Stephen Hawking, qui exhortait ses élèves de Cambridge à vivre de nouvelles conquêtes : « Dans moins de cent ans il faudra être capable d’habiter une autre planète.... »

Le dernier télescope de dépistage des exoplanètes, "Tess" prend le relais du fameux Kepler

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La Nasa a lancé avec succès le satellite Tess redoutable chasseur (Photo Nasa)

272M€ ont été investis par la Nasa pour la mise au point et l’envoi dans l’espace, le mercredi 18 avril, du dernier télescope de dépistage des exoplanètes, "Tess" - Transiting Exoplanet Survey Satellite -, qui prend le relais du fameux Kepler en fin de mission en ayant largement contribué à de nouvelles avancées. Tess, qui a été finement programmé, sera certainement plus performant que Kepler sur les étoiles les plus proches de notre système solaire, les plus brillantes aussi, qui ont en orbite des planètes d’une taille terrestre, rocheuses... Son choix allant vers celles situées dans la "zone de vie" de leur étoile, donc à la bonne distance et qui disposent aussi d’éléments liquide. De l’eau, évidemment. C’est peut-être une vision bien terrestre de la vie ailleurs mais on n’en a pas d’autres pour l’instant !
Christine LETTELIER

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Cette image simule la vue que l’on aurait depuis la surface de l’une des planètes du système Trappist-1 (Photo Nasa)
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A très haute altitude, ​au Chili, ​ sous un ciel totalement dégagé, a été implanté l’un des plus grand centres d’observation pour les atrophysiciens, notamment pour les spécialistes des exoplanètes (Photo Eso)

Astrophysicien, chargé de recherche au LAM - Institut Pythéas à Marseille, Arthur Vigan nous ouvre les portes de la connaissance d’une nouvelle lignée d’exoplanètes dont on n’a pas fini de parler. Entretien.

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Arthur Vigan est chargé de recherches au CNRS, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille au Chili (Photo LAM)

M​ille et une questions ​sur de nouveaux mondes...

Destimed : Vous vous présentez Arthur Vigan comme un astronome "instrumentaliste". Comment intervenez-vous ?
Arthur Vigan : Je me suis spécialisé dans le développement d’une nouvelle génération d’instruments pour la détection et l’étude des exoplanètes. Elle se fait par l’imagerie directe, autrement dit par la photographie des exoplanètes. Ce qui est extrêmement difficile. C’est comme si on voulait faire depuis Paris l’image d’une petite bougie posée à 1 mètre d’un phare allumé à pleine puissance à Marseille. Pourquoi cette comparaison ? Parce que les étoiles sont entre dix mille et dix milliards de fois plus lumineuses que les planètes selon qu’il s’agit de planètes géantes gazeuses comme Jupiter ou de planètes telluriques comme la Terre. Ces instruments spécifiques que nous utilisons sont installés sur de grands télescopes, de 8 à 10 mètres de diamètre, comme le Very Large Telescope (VLT) du Chili. C’est pour ce télescope que nous avons développé l’instrument "Sphere "installé en 2014. Pour le mettre parfaitement au point, il a fallu plus de 10 ans au sein d’un consortium d’une dizaine de laboratoires européens et 120 chercheurs dont le Centre Français de Recherche Aérospatiales LAM (ONERA), l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble (CNRS), le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS, AMU) en collaboration avec l’ESO (Observatoire Européen Austral).

Vous appelez Sphere « le chasseur d’exoplanètes », c’est une jolie image…
On peut employer ce terme car il est capable de détecter avec une finesse et un contraste inégalés en imagerie directe des exoplanètes gazeuses et même des disques de poussières autour d’étoiles proches du Soleil (jusqu’à une distance de 300 années-lumière)… Une de ses particularités est d’être muni d’un module d’optique adaptative extrême, c’est-à-dire qui est capable de corriger la turbulence de l’atmosphère terrestre plus de 1 300 fois par seconde. Mais son atout essentiel est sa capacité à réduire l’éclat d’une étoile très brillante afin d’étudier des exoplanètes et d’être aussi doté d’un coronographe, dispositif optique permettant d’atténuer considérablement le signal d’une étoile, afin de mieux détecter celui d’une exoplanète proche de cette étoile. Ce système est aussi capable d’en déduire des propriétés physiques comme leur température, par exemple.

Quelle distance d’observation vous fournit Sphere ?
Avec ce système, nous pouvons chercher des planètes à des séparations entre 5 et 100 unités astronomiques (UA) de leur étoile, c’est à dire des exoplanètes qui orbitent entre 5 et 100 fois la distance de la Terre au Soleil ! C’est un progrès extraordinaire alors que les autres méthodes de détection (par exemple les mesures de vitesses radiales ou de transits) ne sondent que les petites séparations, pour le moment.

Et quels sont vos prochains objectifs avec ce fin chasseur de planètes ?
Comme nous avons conçu, développé et fabriqué l’instrument Sphere, nous avons obtenu 250 nuits d’observation réparties sur 5 ans. Deux cents de ces nuits sont réservées aux étoiles jeunes dans le voisinage du Soleil à la recherche de nouvelles exoplanètes géantes. Ce qui correspond à une observation de 400 à 600 étoiles. Nous avons commencé ce relevé début 2015, et nous en sommes maintenant au 2/3 environ, avec 350 à 400 étoiles déjà observées. Au cours de ces observations, nous n’avons découvert qu’une seule nouvelle planète de 6 à 10 fois la masse de Jupiter. Nous pouvons donc d’ores et déjà en conclure que ces planètes géantes situées entre 10 et 100 unités astronomiques de leur étoile sont relativement rares.

Que sait-on de ces exoplanètes gazeuses, sont-elles très froides, semblables à des planètes de notre système solaire ?
Ces exoplanètes gazeuse sont relativement froides comparées aux étoiles : entre 0 et 1 300°Celsius (ou 300 et 1 600° Kelvin) alors que les étoiles les plus froides font 3 000°C. Dans leurs atmosphères se forme différentes molécules comme du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone, du méthane, de l’eau ou de l’ammoniaque. La présence de ces molécules se traduit dans les spectres que nous mesurons. Mais toute comparaison avec des planètes de notre système solaire, Jupiter et Saturne par exemple, n’est pas un très bon exemple car les exoplanètes que nous avons découvertes en images sont âgées de quelques millions d’années alors que notre système solaire est déjà bien vieux, âgé de 4.5 milliards d’années !

Depuis la première exoplanète trouvée en 1995, on ne cesse de battre des records : 1 284 nouvelles planètes découvertes en une seule fois par la Nasa ; plus de 3 500 recensées à ce jour... à quoi attribuez-vous cette formidable avancée ?
Il y a clairement eu des avancées techniques formidables qui ont suivi la détection des premières exoplanètes. Même si on s’attendait à en découvrir un jour, on s’est vite aperçu que les plus faciles à trouver, des Jupiter extrêmement proches, ne ressemblent en rien à ce que l’on a dans le système solaire. Cela a donc motivé les chercheurs à développer de nouveaux instruments pour essayer d’en détecter plus et essayer de comprendre toute la diversité de la population des exoplanètes. Les exoplanètes sont maintenant devenues un domaine de recherche extrêmement vaste tant sur le plan astrophysique qu’instrumental. Je travaille actuellement sur un projet (financé par l’Union européenne) qui devrait permettre de décupler les performances de Sphere pour la caractérisation de ces exoplanètes.

Dans cette course aux exoplanètes, n’oublions-pas que le satellite Kepler de la Nasa a aussi recensé des "faux positifs"... C’est le cas de nombreuses exoplanètes qualifiées de géantes qui ont été ensuite débaptisées pour n’être plus que des "naines brunes" ou des "étoiles binaires" à éclipses...
Lorsque l’on cherche des exoplanètes, quelle que soit la méthode, on veut éviter de confondre un autre objet avec une planète. C’est ce qu’on appelle un faux positif. Le type de faux positif possible va ensuite dépendre de la méthode de détection employée : dans le cas de la mesure de transit il pourrait s’agir d’une étoile binaire, alors qu’en méthode image il pourrait s’agir d’une étoile d’arrière-plan alignée avec l’étoile autour de laquelle on essaie de détecter une planètes (et qui peut donc ressembler à une planète en termes de luminosité). Les naines brunes ne sont pas à mon sens des faux positifs car il s’agit d’objets intéressants à étudier, qui ont des masses entre celles des exoplanètes géantes et celles des étoiles les plus petites, c’est à dire entre 15 fois et 75 fois la masse de Jupiter.

D’autres gigantesques télescopes devraient sortir de terre bientôt. C’est une nouvelle porte qui s’ouvre pour la connaissance des exoplanètes
On peut, en effet, espérer de belles découvertes sur les futurs « Extremely Large Télescope » (ELT) qui sont actuellement en cours de construction, notamment au Chili.
Le projet d’ELT Européen fera 39 mètres de diamètre alors que celui du déjà très large télescope en activité n’en fait que 8 mètres ! On peut donc s’attendre à de nombreuses découvertes avec ces télescopes géants, faire des images très parlantes d’exoplanètes cinq fois plus proches de leur étoile.

Parmi les 42 exoplanètes dites "habitables" celle découverte en juillet dernier est la première à être aussi proche de nous, en gravitation autour de Proxima du Centaure, l’étoile la plus rapprochée de notre système solaire. Et quand on dit "habitable" quels sont les critères retenus ?
Le critère pour dire habitable est purement arbitraire : c’est à partir de la distance d’une exoplanète par rapport à son étoile qu’on évalue, sa température en surface et par déduction sa capacité ou pas d’avoir de l’eau liquide. L’idéal étant : pas trop près de son étoile, sinon il fait trop chaud, et pas trop loin, sinon il fait trop froid. Le problème c’est la présence d’une atmosphère qui peut changer significativement la distance à laquelle cette eau liquide pourrait exister. Par ailleurs, on sait qu’il peut y avoir de l’eau liquide sur des planètes pourtant très éloignées de leur étoile, par exemple sous la surface, comme c’est le cas pour le satellite Europe autour de Jupiter ou Encelade autour de Saturne. Cette prétendue zone habitable est donc une vision très géocentrique des choses. Je ne suis pas du tout un expert du système autour de Proxima du Centaure, mais il me semble qu’il est essentiellement intéressant car il s’agit du plus proche de nous (4 années-lumière seulement..). Ce qui veut dire que potentiellement on pourrait y envoyer une sonde, un jour. Cette planète, qui fait le tour de son étoile en 11,2 jours, a été détectée par la méthode du transit, c’est à dire par l’ombre qu’elle projetait sur son étoile durant son orbite. Elle est soit-disant dans la zone habitable de l’étoile, mais encore une fois cela ne veut pas dire grand-chose. Donc en soi ce système n’est pas forcément exceptionnel, mais il a le mérite d’être proche et donc de pouvoir être étudié sous certains aspects qui ne pourraient pas l’être si l’étoile était beaucoup plus éloignée.

Que nous apprennent les exoplanètes sur la formation de notre système solaire ? Est-il unique ou y-a-t-il d’autres systèmes semblables dans l’Univers ?
Étant donné toute la diversité des systèmes exoplanétaires il existe très certainement d’autres systèmes similaires au nôtre, quelque part. C’est d’ailleurs pour cela qu’il est intéressant de chercher et étudier ces systèmes : pour comprendre comment des systèmes complexes à plusieurs planètes, avec des masses très différentes peuvent se former. Il semble assez clair maintenant que la présence d’une planète géante (comme Jupiter ou encore plus massive) a un effet structurant sur les systèmes planétaires. Comme elle domine gravitationnellement elle va avoir une influence sur la formation d’autres planètes, par exemple en inhibant leur formation ou au contraire en l’encourageant. Ce ne sont pas des processus que l’on peut observer directement, mais du point de vue théorique ce sont des choses qui sont très étudiées. De manière générale on est encore loin de tout comprendre car on n’a pas une vision globale des systèmes planétaires à tous les stades de leur évolution. Par exemple, les méthodes de mesure de vitesse radiale et de transit (qui ont trouvé le plus de planètes) ne peuvent observer que des étoiles âgées (plusieurs milliards d’années) et sont surtout sensibles à des planètes proches de leur étoile, alors que l’imagerie n’observe que des exoplanètes géantes situées très loin de leur étoile. Toutes les méthodes sont donc complémentaires mais il y a toujours des trous dans l’espace des paramètres qu’on essaie de sonder. Il faut donc essayer ensuite de boucher les trous avec la théorie.
Propos recueillis par Christine LETELLIER

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Un ingénieur du L​aboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) ​ s’affaire autour des composants optiques et électroniques de l’instrument "Sphere" peu avant qu’il ne soit installé au Chili (Photo LAM)
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L’instrument Sphere utilisé par Arthur Vigan au Chili (Photo LAM)

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