Exoplanète - Définition et Explications

Un exoplanète ou planète extrasolaire désigne une planète orbitant autour d'une étoile autre que le Soleil.

Pendant longtemps, l'existence d'exoplanète n'a pu être prouvé par l'observation. La distance, mais aussi le manque de luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) de ces objets célestes si petits en comparaison des étoiles autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) desquelles ils orbitent ont rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) la détection impossible. Ce n'est que dans les années 1990 que les premières sont détectés de manière indirecte. Depuis, plusieurs centaines de planètes sont observés et leur nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) augmentent rapidement.

Un biais dans les méthodes de détections utilisées fait que l'on a détecté majoritairement des planètes assez particulières comparés à celles présentes dans le système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...). La découverte de ces planètes a obligé les astronomes à revoir les modèles de formations des systèmes planétaires qu'ils avaient élaboré en se basant sur le système solaire.

Depuis que les méthodes se sont améliorées, nombre de travaux de ce domaine visent à mettre en évidence des planètes ressemblant à la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) et pouvant héberger une vie (La vie est le nom donné :) comparable à celle qui y existe.

Historique

Prémisses

Depuis longtemps l'Homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...) s'interroge sur la question : " Sommes-nous seuls dans l'Univers ? ". Ce qui entraîne la question de savoir s'il existe ou non d'autres planètes sur lesquelles pourraient se développer d'autres formes de vie. Christiaan Huygens est le premier astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) à envisager l'utilisation des instruments d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) afin de détecter de telles planètes.

Au cours du XX^e siècle, grâce aux progrès technologiques des télescopes, tels que les détecteurs à couplage de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) (CCD), le traitement d'image, ainsi que le télescope spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...), qui permettent des mesures plus précises du mouvement des étoiles, beaucoup d'astronomes espéraient détecter des planètes extrasolaires. Dans les années 1980 et au début des années 1990, quelques annonces sont faites, reprises dans les média (On nomme média un moyen impersonnel de diffusion d'informations (comme la presse, la radio, la...), puis, après vérifications (cela peut prendre des mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...), des années), finalement démenties (c'est la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) de la méthode scientifique). La communauté astronomique se désespère, et certains en concluent déjà que le système solaire ne serait peut-être qu'une singularité… Il faut attendre l'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié...) 1995 pour que la découverte de la première exoplanète soit confirmée.

Découvertes

La découverte de la première planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...) extrasolaire a été annoncée le 6 octobre 1995 par Michel Mayor (Michel Mayor (12 janvier 1942 dans le canton de Vaud, Suisse) est un astrophysicien...) et Didier Queloz (de l'observatoire de Genève), d'après des observations qu'ils ont réalisées à l'observatoire de Haute-Provence grâce à la méthode des vitesses radiales. L'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) hôte est 51 Pegasi (51 Pegasi est le nom de l'étoile autour de laquelle orbite la première exoplanète (51 Peg b) à...) ((lien)), dans la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte...) de Pégase, à environ 40 années-lumière de la Terre.

Depuis lors, plus de 200 planètes ont été détectées, dont beaucoup par une équipe menée par Geoffrey Marcy de l'université de Californie (L'université de Californie est une université américaine, fondée en 1868, dont...) à Berkeley.

Plus de la moitié ont été découvertes à l'UNIGE (Université de Genève) par des équipes internationales.

Le premier système où l'on a détecté plusieurs planètes était Upsilon Andromedae, dans la constellation d'Andromède. Le deuxième fut 55 Cancri (55 Cancri (abréviation : 55 Cnc) est une étoile binaire se trouvant à 41...) ((lien)). Ce dernier est le plus grand système planétaire (Un système planétaire (parfois appelé abusivement système stellaire) est...) connu à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) (hormis le nôtre) car il contient au moins quatre planètes.

La majorité des planètes détectées pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) sont des géantes gazeuses ayant une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) très excentrique, certaines se sont finalement révélées être des naines brunes. Le fait de découvrir essentiellement des géantes gazeuses proches de leur étoile est généralement interprété comme un biais de l'observation : il est beaucoup plus simple de découvrir une planète massive (Le mot massif peut être employé comme :) tournant rapidement autour de son étoile par la méthode de la vitesse (On distingue :) radiale qui détecte la planéte en interpolant sa présence par les fluctuations de la trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) de l'étoile.

Au premier semestre 2005, une polémique a agité le monde (Le mot monde peut désigner :) astronomique. Des équipes de la Nasa (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...) et de l'ESO ont annoncé des découvertes grâce au VLT et au télescope spatial Spitzer (Le télescope spatial Spitzer est le plus gros télescope infrarouge lancé par la NASA. Ces...). Finalement, il semble que l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...) a bien obtenu les premières images directes de planètes extrasolaires. En l'occurrence, elles orbitent autour de la naine brune (Une naine brune est un objet insuffisamment massif pour être considéré comme une...) GPCC-2M1207 et de l’étoile GQ Lupi. Celà dit, le compagnon (Le Compagnon (titre original : Alvin Journeyman) est un roman de fantasy publié en 1995...) de GQ Lupi est probablement une naine brune.

Inventaire

Au 31 mai 2007 on recense^[1] :

• 241 exoplanètes
• 218 systèmes planétaires dont 26 multiples

Exoplanètes remarquables

• C'est le 27 novembre 2001 que l'on détecte la première géante gazeuse (Les géantes gazeuses sont les plus grandes des planètes. Elles sont dites gazeuses, par...), Osiris, contenant de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) et du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) dans son atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :). Cette planète étant très proche de son étoile, elle voit son atmosphère être soufflée par cette dernière. Ce phénomène a poussé les scientifiques à imaginer une classe particulière d'exoplanètes, les planètes chtoniennes, qui sont des résidus rocheux de géantes gazeuses à l'atmosphère soufflée par leur étoile.

• Le 25 août 2004, une planète, Mu Arae c (Mu Arae d ou la Vénus de Mu Arae (dénominations provisoires) est la 123ème exoplanète...) ou la Vénus de Mu Arae, de 14 masses terrestres a été découverte. Cette masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) étant en deçà d'une limite théorique de 15 masses terrestres en dessous de laquelle une planète peut être tellurique, les scientifiques pensent qu'il peut s'agir d'une très grosse planète rocheuse, la première de ce type qui serait donc découverte. Néanmoins, il peut tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) aussi bien s'agir d'une très petite planète gazeuse.

• En 2005, pour la première fois, des astronomes ont pu discerner la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) émise directement par deux planètes, malgré la lueur éblouissante et toute proche de leurs étoiles. Jusqu'alors, les découvertes n'étaient qu'indirectes, en regardant les perturbations exercées par les planètes sur leurs étoiles ou en mesurant une baisse de luminosité lors d'un transit. Cette fois, deux découvertes presque simultanées ont été faites par deux équipes différentes observant des planètes différentes. Mais comme les deux équipes ont toutes deux utilisé le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le...) infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) américain Spitzer, la Nasa a décidé de profiter de l'occasion pour annoncer les deux découvertes en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...).
  Il est cependant important de préciser que les deux exoplanètes observées avaient déjà été détectées auparavant grâce à la technique de la vitesse radiale.

• Le 14 juillet 2005, l'astrophysicien Maciej Konacki du California Institute of Technology (Le California Institute of Technology ou Caltech est l’une des facultés des...) (Caltech) a annoncé dans la revue Nature la découverte d'une exoplanète (HD 188753 Ab) dans un système de trois étoiles qui se trouve à 149 années-lumière de la Terre. Grâce au télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) Keck 1 de Hawaii, il a pu trouver cette planète dont la révolution autour de son étoile se fait en moins de quatre jours. Les modèles actuels (juillet 2005) de formation des planètes n'expliquent pas comment une telle planète peut naître dans un environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) si instable d'un point (Graphie) de vue gravitationnel. Cette planète a été surnommée " planète Tatooine " par son découvreur en hommage à la planète du même nom dans le film La Guerre des étoiles. Des vues d'artistes du système stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la...) HD 188753 (HD 188753 est un système stellaire triple situé à environ 149 années-lumière de la Terre dans...) sont disponibles sur le site de la NASA.

• Le 26 janvier 2006, le Probing Lensing Anomalies NETwork (PLANET) dirigé par le français Jean-Philippe Beaulieu a découvert la planète OGLE-2005-BLG-390Lb qui semble être la première exoplanète tellurique connue. Cette planète se situe à 22 000 années-lumière de la Terre. Sa masse vaut environ cinq fois celle de la Terre, sa température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de -220°C (53K) ce qui laisse supposer qu'il s'agit d'une planète solide.

• Le 17 mai 2006, une équipe de chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...) de planètes (dont Michel Mayor fait partie) annonce la découverte, grâce au spectrographe HARPS, de trois planètes neptuniennes autour de l'étoile de type solaire HD 69830. Les masses sont respectivement de 10, 12 et 18 fois la masse terrienne (ce qui est faible, Jupiter fait 317 x la masse de la Terre) Ce système possède probablement une ceinture d'astéroïdes à environ 1 UA de l'étoile.

• Le 4 août 2006, Ray Jayawardhana et Valentin Ivanov ont repéré, grâce au New Technology Telescope de 3,5 m de l'observatoire de La Silla de l'Observatoire européen austral (L'Observatoire européen austral (en anglais, European Southern Observatory : ESO) est une...) (ESO), Oph 162225-240515, un système double à deux planètes tournant l'une autour de l'autre et flottant librement dans l'espace.

• Le 18 septembre 2006, une équipe d'astronomes du Smithsonian annonce la probable découverte d'un nouveau type de planète : avec un rayon équivalent à 1,38 fois celui de Jupiter mais qui ne pèse même pas la moitié de sa masse, c'est l'exoplanète la plus légère jamais découverte! Cela lui confère une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) inférieure à celle du liège, qui lui permettrait de flotter confortablement s'il existait un récipient d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) assez volumineux pour la contenir. L'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) est baptisé HAT-P-1; son étoile est l'astre principal d'un système double, situé à quelque 450 années-lumière de la Terre dans la constellation du Lézard (Les lézards sont des petits reptiles de l'ordre des Squamates. Ils partagent le fait d'avoir...) et connu sous le nom très poétique ADS 16402. Les deux étoiles sont similaires au Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) mais plus jeunes, environ 3,6 milliards d'années.

• Le 5 octobre 2006, Kailash Sahu, du Space Telescope Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) Institute de Baltimore, et ses collègues américains, chiliens, suédois et italiens auraient découvert, grâce au télescope spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...), 5 exoplanètes d'une nouvelle classe baptisées "planètes à période de révolution (La période de révolution, est le temps mis par un astre pour accomplir sa trajectoire, ou...) ultra-courte" (USPP : Ultra-Short-Period Planet) parce qu’elles font le tour de leur astre en moins d’une journée terrestre, 0,4 jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) (moins de 10 heures) pour la plus rapide ! Les objets semblent être des planètes gazeuses géantes de faible densité similaires à Jupiter, tournant autour d'étoiles plus petites que le Soleil.

• Le 25 avril 2007, le télescope Harps de 3,6 m de l'Observatoire de La Silla de l'ESO au Chili annonce la découverte d'une planète "de type terrestre habitable" : Gliese 581 c (Gliese 581 c est une exoplanète en orbite autour de l'étoile Gliese 581, située...), orbitant autour de l'étoile Gliese 581 (Gliese 581 est une étoile naine rouge située dans la constellation de la Balance à...) située à seulement 20,5 années-lumières de la Terre. Trois laboratoires associés du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) ont participé à la découverte, avec des chercheurs de l'Observatoire de Genève et du Centre d'astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) de Lisbonne^[2].

Méthodes de détections

Détecter une exoplanète de manière directe n'est pas une chose facile, et ce pour plusieurs raisons :

• une planète ne produit pas de lumière : elle ne fait que refléter celle qu'elle reçoit de son étoile, ce qui est bien peu.
• la distance qui nous sépare de l'étoile est infiniment plus importante que celle qui sépare l'exoplanète et son étoile : le pouvoir séparateur des instruments de détection doit donc être très élevé pour pouvoir les distinguer.

Ainsi, les seules méthodes de détection qui fonctionnaient jusqu'à très récemment sont appelées méthodes "indirectes", car elles ne détectent pas directement les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) venant de la planète. Il existe plusieurs méthodes, présentes et futures pour détecter une exoplanète. La plupart sont détectées depuis les observatoires aux sols.

Par la vitesse radiale

Cette méthode est basée sur l'étude du spectre lumineux de l'étoile. Les mouvements d'un astre sont influencés par la présence d'une planète orbitant autour de lui, ce qui provoque un décalage périodique de sa position. Cela permet de déterminer grâce à l'effet Doppler-Fizeau (L’effet Doppler est le décalage de fréquence d’une onde acoustique ou...) la vitesse radiale du spectre lumineux. De manière identique aux binaires spectroscopiques, ceci nous apporte des informations concernant la position de l'orbite de la planète ainsi que sur sa masse.

Il est à noter que cette méthode de détection est plus performante pour des vitesses radiales élevées : autrement dit, pour des planètes évoluant très près de leur étoile. Ce qui explique que de nombreuses exoplanètes découvertes jusqu'à aujourd'hui ont une orbite très proche de leur étoile.

C'est par cette méthode que la plupart des planètes extrasolaires ont été détectées.

Par le transit

Transit primaire (méthode indirecte)

Cette méthode de détection indirecte est basée sur l'étude de la luminosité de l'étoile. En effet, si celle-ci varie périodiquement cela peut provenir du fait qu'une planète passe devant.

Cette méthode a été proposée pour la première fois en 1951 par Otto Struve de l'observatoire Yerkes de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Chicago (Chicago est une mégapole des États-Unis, située dans la partie nord du Middle West, à...). Elle a été proposée à nouveau à deux reprises : en 1971 par Franck Rosenblatt de l'université Cornell, puis en 1980 par William Borucki du centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) Ames de la NASA, en Californie.

Bien que la variation de luminosité d'une étoile soit plus facilement repérable que la variation de sa vitesse radiale, cette méthode se révèle peu efficace en terme de quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de planètes détectées par rapport à la somme des étoiles observées. En effet, on ne peut l'utiliser que dans le cas où nous observons le système stellaire quasiment par la tranche. On peut montrer que pour des orientations aléatoires de l'orbite, la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) géométrique de détection par cette méthode est inversement proportionnelle à la distance entre l'étoile et la planète. On estime à 5% des étoiles avec une exoplanète la quantité détectable avec cette méthode.

Cependant, elle a l'avantage de ne nécessiter l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) que de télescopes de dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) raisonnables.

Dans notre propre système solaire, on peut aussi observer des transits de planètes : les transits de Vénus et de Mercure ne peuvent cependant être observés tout au plus que quelques fois par siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...).

Transit secondaire (méthode semi-directe)

Le principe repose sur le transit secondaire, c’est-à-dire quand la planète passe derrière l'étoile. Dans ce cas on peut détecter les photons provenant de l'hémisphère éclairé de la planète, ce qui fait de cette méthode une méthode en semi-directe. En résumé, on étudie le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) lumineux provenant d'une planète éclipsée par son étoile et l'on retire ensuite le signal lumineux émis par l'étoile (que l'on a mesuré auparavant), on obtient alors la signature de la planète.

La première détection du transit secondaire a été faite avec le télescope spatial Hubble en 2003 sur l'étoile HD 209458 (HD 209458 est un des noms de catalogue de l'étoile autour de laquelle orbite l'exoplanète HD...) (voir ce lien pour plus de détails (en anglais)).

Récemment, des équipes d'astronomes ont réussi à détecter deux exoplanètes de manière directe, par l'utilisation du satellite Spitzer. Celles-ci, qui étaient déjà connues, ont été repérées grâce à la lumière infrarouge qu'elles émettaient.

Cela ouvre de nouvelles opportunités dans le domaine de l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...). En effet, les chercheurs vont désormais pouvoir essayer de comparer certaines caractéristiques essentielles des exoplanètes repérées jusque là, telles que la couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...), la réflectivité et la température. Ceci permettra de mieux comprendre la manière dont celles-ci viennent à se former.

Par astrométrie (L'astrométrie est la partie de l'astronomie qui s'occupe de la position des étoiles et des autres...)

Elle repose sur la détection des perturbations angulaires de la trajectoire d'une étoile. Plus la masse de la planète, et la distance qui sépare l'étoile de la planète sont grandes, plus le système est proche de nous et donc visible.

Cette méthode, bien qu'elle soit connue depuis longtemps, n'avait pas encore été utilisée en raison des infimes variations qu'elle devait repérer. Mais ce sera bientôt chose possible avec notamment la mise en place du mode double champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) du Very Large Telescope (Le Very Large Telescope (VLT) est un ensemble de 4 télescopes principaux et 4 auxiliaires...) Interferometer (VLTI) appelé PRIMA.

Par l'effet de microlentille gravitationnelle

Cette méthode s'appuie sur la courbure (Intuitivement, courbe s'oppose à droit : la courbure d'un objet géométrique est...) de la lumière émise par une étoile distante ou un quasar (Une « source de rayonnement quasi-stellaire » (quasar), (quasi-stellar radio...), lorsqu'un objet massif (Le mot massif peut être employé comme :) s'aligne " suffisamment " avec cette source, phénomène appelé " lentille gravitationnelle ". La distortion de la lumière est due au champ gravitationnel de l'objet lentille, une des conséquences de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...), comme l'a décrit Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) en 1915. Il en découle un effet de lentille, formation de deux images déformées de l'étoile distante, voire davantage.

Dans le cas de la recherche d'exoplanètes, la planète cible, en orbite autour de l'étoile lentille, fournit une information supplémentaire, permettant de déterminer sa masse et sa distance de l'étoile. On parle de microlentille car la planète n'émet pas ou très peu de lumière.

Cette technique permet d'observer des astres de masse même relativement faible, puisque les observations ne s'appuient pas sur la radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) reçue.

Directe

L'utilisation combinée de systèmes de correction en temps réel appelés optique adaptative (L'optique adaptative est une technique qui permet de corriger en temps réel les déformations...) et de la coronographie (La coronographie est une technique en astronomie qui consiste à reproduire un phénomène céleste...) a permis récemment de détecter une exoplanète directement à l'aide du VLT^[3].

D'énormes efforts sont consacrés actuellement à l'amélioration des techniques d'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) adaptative, de coronographie stellaire, et de traitement d'image, afin de développer une imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) astronomique à très haut contraste capable de détecter à terme des exoplanètes de la taille de la Terre. Ces méthodes sont détaillées dans la page principale.

Notes et références