Kepler-51b pèse environ deux fois la masse de la Terre, mais elle gonfle jusqu'à atteindre presque la taille de Saturne, une planète qui pèse cent fois plus lourd que la Terre. Ce genre de décalage entre masse et taille explique précisément pourquoi les exoplanètes, ces mondes en orbite autour d'étoiles autres que le Soleil, continuent de surprendre les astronomes qui les étudient.
Il y a à peine trois décennies, personne n'avait confirmé la moindre planète au-delà de notre système solaire. Aujourd'hui, des milliers sont répertoriées, et ce nombre continue d'augmenter à mesure que les télescopes spatiaux et les observatoires terrestres affinent leurs recherches. Ce guide rassemble les découvertes, les quasi-échecs et la physique qui font des exoplanètes l'un des domaines les plus dynamiques de l'astronomie.
Les découvertes qui ont tout déclenché
Les premières exoplanètes confirmées n'étaient pas les mondes accueillants et semblables à la Terre promis par la fiction. Il s'agissait de deux planètes de masse tellurique découvertes en orbite autour d'un pulsar milliseconde, le résidu effondré et à rotation rapide d'une étoile morte, annoncées en 1992 par Aleksander Wolszczan et Dale Frail. Les pulsars émettent des impulsions radio avec une précision si régulière que de minuscules fluctuations de synchronisation ont trahi la gravité de compagnons invisibles.
Trois ans plus tard survint une découverte qui semblait plus familière. Les astronomes ont trouvé la première exoplanète confirmée autour d'une étoile de la séquence principale semblable au Soleil, sur une orbite serrée de quatre jours autour de 51 Pegasi, en 1995. Les chercheurs l'ont détectée grâce à un spectroscope assez précis pour capter des variations de vitesse d'environ 70 mètres par seconde dans la lumière de l'étoile, la faible traction gravitationnelle d'une planète en orbite qui fait osciller son étoile d'avant en arrière. Cette précision instrumentale, capable de détecter une oscillation plus lente qu'un jogging soutenu, est ce qui a transformé la chasse aux exoplanètes, la faisant passer de la spéculation à une science reproductible.
Des mondes qui défient les règles de la formation planétaire
Toutes les exoplanètes ne rentrent pas dans les catégories bien ordonnées que les astronomes ont établies à partir de nos huit propres planètes. Kepler-51b ne pèse qu'environ deux fois la masse de la Terre, mais son volume gonfle jusqu'à presque atteindre la taille de Saturne, une planète cent fois plus lourde. Une planète aussi gonflée pour sa masse doit avoir une densité extraordinairement faible, ce qui laisse penser à une atmosphère si étendue et si légère qu'elle tient à peine ensemble.
Les écarts entre masse et taille se produisent dans les deux sens. Parmi les entrées de l'Exoplanet Archive de la NASA, aucune ne dépasse HR 2562 b, qui affiche environ 30 fois la masse de Jupiter, elle-même déjà la planète la plus lourde de notre système solaire. À l'autre extrême, une étude plus large portant sur des milliers d'exoplanètes a révélé un schéma lié davantage à leur mouvement qu'à leur taille : les grandes planètes ont tendance à adopter des orbites elliptiques, tandis que les plus petites privilégient des trajectoires plus proches du cercle. Personne ne conçoit un système solaire de cette manière ; c'est simplement ce que produisent la gravité et les débris résiduels au fil de milliards d'années.
Une planète qui perd la course contre sa propre étoile
Certaines exoplanètes ne se contentent pas d'orbiter autour de leur étoile, elles se désintègrent lentement devant elle. L'un de ces mondes condamnés, repéré par Kepler, effectue un tour complet autour de son étoile hôte en seulement 16 heures et traîne derrière lui une queue de poussière semblable à celle d'une comète, arrachée à sa propre surface. Les astronomes ne l'ont détecté que parce que ce nuage de poussière atténue périodiquement la lumière de l'étoile à son passage, une signature bien différente des baisses de luminosité nettes et régulières d'une planète intacte.
Repérer une planète dans un tel état exigeait d'observer un nombre colossal d'étoiles en même temps, exactement ce pour quoi Kepler avait été conçu : le télescope surveillait simultanément plus de 145 000 étoiles, à la recherche de la baisse de luminosité brève et légère qui trahit le transit d'une exoplanète. La plupart des planètes découvertes de cette façon se comportent normalement. Celle-ci s'est démarquée précisément parce que ce n'était pas le cas.
Une cousine plus grande et plus âgée de la Terre
Parmi les découvertes de Kepler, Kepler-452b a mérité son surnom pour une bonne raison. La planète est environ 60 % plus grande que la Terre et orbite autour d'une étoile de type G2, la même grande classe que le Soleil, à ceci près que celle-ci a déjà accumulé 6 milliards d'années, soit 1,5 milliard de plus que notre propre étoile. Jon Jenkins, responsable de l'analyse des données de Kepler, l'a qualifiée de « cousine plus âgée et plus grande de la Terre », qui permet aux scientifiques de « comprendre et réfléchir à l'évolution de l'environnement terrestre ».
Ce qui rend l'orbite de Kepler-452b remarquable, c'est à quel point elle paraît ordinaire malgré la taille supérieure de la planète : un tour complet prend 385 jours, soit seulement 5 % de plus que ce dont la Terre a besoin pour faire le tour du Soleil. On pourrait s'attendre à ce qu'une planète aussi grande se trouve bien plus loin de son étoile, pourtant les chiffres se révèlent étonnamment proches de ceux de notre propre système, un rappel que la taille et la distance orbitale n'évoluent pas automatiquement de pair.
De quoi sont faites les géantes gazeuses
Comprendre l'intérieur d'une planète est plus difficile que de la repérer en premier lieu, car aucun télescope ne peut voir à travers les nuages d'une planète. Les expériences en laboratoire comblent cette lacune en recréant les pressions écrasantes qui règnent au cœur des géantes gazeuses. Comprimer de l'hydrogène, sous forme de deutérium, à une pression d'environ 150 gigapascals le fait passer d'un état transparent à un état opaque, un seuil pertinent pour modéliser ce qui se produit à l'intérieur des exoplanètes géantes gazeuses massives et de leurs cousines de notre système solaire. Des résultats de ce type permettent aux astronomes de traduire la masse et le rayon mesurés d'une planète en une estimation éclairée de sa structure interne, puisque deux planètes aux statistiques externes identiques peuvent cacher des intérieurs très différents.
Des mondes autour d'une étoile voisine
L'étoile la plus proche du Soleil s'est révélée abriter sa propre planète. Proxima du Centaure b, découverte en orbite autour de cette étoile voisine, effectue une révolution tous les 11,2 jours terrestres à une distance d'environ 0,04848 UA, plus proche encore que la boucle de Mercure autour du Soleil. Cette proximité avec son étoile est ce qui maintient la planète suffisamment chaude pour susciter l'intérêt, malgré une orbite autour d'une étoile bien plus faible que le Soleil.
Un peu plus loin dans la quête de systèmes planétaires proches, TRAPPIST-1 a offert un tout autre genre de récompense. Son système planétaire a été découvert en 2016 par une équipe dirigée par l'astronome belge Michael Gillon, à partir d'observations réalisées à l'observatoire de La Silla, au Chili, révélant une famille compacte de planètes regroupées autour d'une petite étoile froide. Découvrir un système entier en une seule campagne, plutôt qu'une planète à la fois, a transformé la façon dont les astronomes planifient leurs futures recherches.
Des planètes au-delà même de la Voie lactée
Toutes les exoplanètes évoquées jusqu'ici appartiennent à notre propre galaxie. Cette limite a tenu jusqu'à ce que des chercheurs combinent l'observatoire à rayons X Chandra de la NASA avec une technique de microlentille gravitationnelle, observant une galaxie quasar lointaine à la recherche des empreintes de planètes invisibles déformant sa lumière. L'analyse a mis en évidence environ 2 000 planètes extragalactiques par étoile au-delà de la Voie lactée. C'était la première donnée à suggérer que notre propre galaxie n'est qu'une île parmi un ensemble d'exoplanètes qui dépasse le billion dès que l'on regarde au-delà d'elle, un nombre si vaste qu'il transforme les planètes individuelles en un simple bruit de fond statistique plutôt qu'en objets distincts à cataloguer un par un.
Les instruments conçus pour détecter l'oscillation d'une seule étoile ou l'atténuation d'une seule courbe de lumière n'ont jamais été pensés pour un billion de planètes. Le fait que les mêmes principes de détection, de minuscules distorsions gravitationnelles et optiques, s'appliquent aussi bien à un système stellaire isolé qu'à l'ensemble des planètes d'une galaxie entière en dit autant sur l'ingéniosité des méthodes que sur la fréquence réelle des planètes.
Pourquoi la recherche ne cesse de s'améliorer
Le matériel de Kepler lui-même illustre le niveau de précision qu'exige cette quête. Son miroir principal mesurait 1,4 mètre de diamètre, et lors du lancement de Kepler, aucun autre télescope opérant au-delà de l'atmosphère terrestre n'en possédait un plus grand, un record que l'observatoire spatial Herschel lui a ravi seulement quelques mois plus tard. Construire un instrument d'une telle taille, et le pointer vers la même portion de ciel pendant des années, était le prix à payer pour capter les transits faibles et répétés qui révèlent une planète de la taille de la Terre.
Chaque génération de la science des exoplanètes s'est construite sur la précédente : la synchronisation des pulsars a cédé la place aux oscillations stellaires, les oscillations stellaires ont cédé la place à la photométrie de transit surveillant des centaines de milliers d'étoiles à la fois, et la photométrie de transit s'étend désormais jusqu'à des galaxies au-delà de la nôtre. La prochaine surprise, qu'il s'agisse d'une planète plus étrange que Kepler-51b ou de preuves redéfinissant la fréquence réelle des planètes, se trouve probablement déjà dans des données en attente d'analyse.
Sources
- ScienceDaily : sous pression, l'hydrogène offre un reflet de l'intérieur des géantes gazeuses
- NASA : la mission Kepler découvre une cousine de la Terre plus grande et plus âgée
- Phys.org : une exoplanète en évaporation soulève de la poussière
- National Geographic : une nouvelle découverte suggère que des exoplanètes pourraient exister en dehors de la Voie lactée
- Wikipédia : Exoplanète
- Wikipédia : 51 Pegasi b
- Wikipédia : télescope spatial Kepler
- Wikipédia : Proxima du Centaure b
- Wikipédia : TRAPPIST-1