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Des superterres par milliards : une interview de Xavier Delfosse

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Récemment, une équipe internationale d'astronomes présentait une estimation du nombre de superterres habitables dans la Voie lactée. Selon eux, il y en aurait des milliards autour des naines rouges de notre Galaxie. Futura-Sciences revient sur cette découverte avec une interview en deux parties de l'un des membres de cette équipe, l'astrophysicien Xavier Delfosse, de l'institut de Planétologie et d'astrophysique de Grenoble.

Une comparaison du Système solaire avec celui de Gliese 581. En abscisse, on a porté les distances (Distance from star) en unités astronomiques (UA) et en ordonnée, les masses des deux étoiles (Mass of star). En bleu clair est indiquée la zone d'habitabilité minimum et en bleu foncé celle d'habitabilité maximale compte tenu de diverses incertitudes. © Franck Selsis-CNRS-ESO

C'est à l'observatoire de Haute-Provence (OHP), en 1995, que Michel Mayor et Didier Queloz ont fait une découverte qui a stupéfié les astronomes et astrophysiciens. En utilisant le spectromètre Élodie, les deux chercheurs venaient rien de moins que de détecter la première exoplanète en orbite autour d'une étoile de type solaire, encore sur la séquence principale. Mais ce qui a vraiment surpris la communauté scientifique, c'est le fait que 51 Pegasi b soit une géante gazeuse en orbite rapprochée autour de son étoile hôte, 20 fois plus proche de son étoile que la Terre ne l'est du Soleil.

Depuis cette date, on a découvert plus de 750 exoplanètes. Si certaines sont des Jupiter chaudes, un grand nombre d'autres types de planètes ont été mis à jour. Parmi celles-ci, des superterres sont découvertes depuis plus de cinq ans, des planètes de moins de 10 fois la masse de la Terre (Jupiter a une masse de 300 fois celle de la Terre). On a même détecté des superterres qui sembleraient bien être des candidates au titre de planète océan mais qui seraient si étranges que l'émergence de la vie y semble difficile.

Il faut savoir que la contribution des océans de la Terre à sa masse est inférieure à un millième. Dans le cas de certaines exoplanètes candidates au titre de planète océan, ce chiffre pourrait dépasser 10 %. Alors que dans notre monde la glace flotte sur l'eau, il pourrait ne pas en être de même sur une telle exoplanète proche de son étoile. La glace y existerait sous une phase différente, très chaude, et sous des pressions colossales au-dessus de la partie rocheuse de la planète. Au-dessus de cette couche de glace, l'eau liquide laisserait d'abord la place à de l'eau dans un état supercritique et finalement à une atmosphère d'hydrogène en raison de la dissociation par photolyse d'une avant-dernière enveloppe de vapeur d'eau à très haute température.

Au sommet du Mauna Kea se trouve le Télescope Canada-France-Hawaï qui devrait être dans quelques années un haut lieu de la chasse aux superterres avec l'instrument baptisé Spirou. © HawaiianStarlight/YouTube

Mais existe-t-il dans la Voie lactée des exoterres potentiellement habitables où la vie pourrait apparaître ? Il semble que nous puissions désormais répondre par oui à cette question ! C'est grâce aux travaux patiemment menés par une équipe de chercheurs durant six ans avec le spectrographe Harps (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) équipant le télescope de 3,60 mètres à l'Observatoire de La Silla de l'ESO au Chili.

Parmi les membres de cette équipe, on trouve Michel Mayor et Didier Queloz mais aussi Xavier Delfosse. Chercheur à l'institut de Planétologie et d'astrophysique de Grenoble (Ipag), c'est l'un des codécouvreurs des systèmes planétaires de Gliese 581 et Gliese 667 C, deux naines rouges de type M hébergeant des superterres dans leurs zones habitables. Il travaille également sur Spirou, un spectropolarimètre fonctionnant dans le proche infrarouge qui sera installé dans quelques années sur le Télescope Canada-France-Hawaï (TCFH). Ses principaux objectifs scientifiques sont la détection des planètes rocheuses (entre 1 et 10 masses terrestres) autour des étoiles de très faible masse, notamment celles se trouvant dans la zone d'habitabilité de ces étoiles, des naines rouges de type M.

Selon Xavier Delfosse et ses collègues, il devrait y avoir des milliards de planètes de type superterre habitable autour des naines rouges dans la Voie lactée. Futura-Sciences lui a demandé quelques précisions sur l'état actuel de la chasse aux exoplanètes habitables et dans quelles directions elle va évoluer dans un futur proche.

Au cours de cette conférence, Xavier Delfosse aborde la recherche de l’existence d’une vie ailleurs que sur Terre. Pour cela, il faut d’abord trouver des exoplanètes potentiellement habitables. Il travaille à leur détection avec d’autres collègues. © fermedesetoiles, YouTube

Futura-Sciences : Quels sont les critères requis pour que l’on puisse qualifier une exoplanète de superterre ?

Xavier Delfosse : Seule la masse compte, car on ne fait pas référence aux conditions régnant à sa surface ni à sa distance par rapport à son étoile. On s'accorde sur une borne supérieure de 10 fois la masse de la Terre, au-delà il doit s'agir d'une planète géante avec une atmosphère gazeuse trop importante. Comme masse minimum, on avance deux fois celle de la Terre mais on trouve parfois des chiffres plus élevés. Maintenant, si on veut chercher plus spécifiquement une planète rocheuse avec de l'eau liquide capable d'abriter une vie abondante longtemps, il faut bien sûr qu'elle soit dans la zone d'habitabilité pendant une longue période et qu'elle soit suffisamment massive pour retenir une atmosphère et l'eau existant à sa surface (ce qui n'a pas été le cas pour Mars).

Comment peut-on détecter ces superterres, ou même une exoterre, analogue à notre planète ?

Xavier Delfosse : La méthode des vitesses radiales est la plus indiquée pour être sûr d'avoir découvert une exoplanète mais elle n'est facile à mettre en œuvre que pour des planètes massives et proches de leur étoile. C'est d'ailleurs pour cela que les premières exoplanètes découvertes ont été des Jupiter chaudes. En outre, cette méthode ne donne qu'une borne inférieure pour la masse de l'exoplanète découverte, car on ignore sous quel angle le plan de son orbite est vu. Cependant, depuis quelques années nous avons atteint la précision pour détecter des superterres avec des périodes orbitales de moins de 100 jours autour de leur étoile. Avec Harps notamment, nous pouvons mesurer des variations de vitesses d'étoiles à 3 km/h près.

Le principe de la détection d'une exoplanète par la mesure d'un décalage spectral par effet Doppler-Fiezeau. Une planète en orbite autour d'une étoile l'attire de telle sorte que l'étoile elle-même tourne autour du centre de masse du système étoile+planète. Plus la planète est proche de son étoile et massive, plus ce mouvement sera rapide. Observés avec un spectromètre, les éléments dans l'atmosphère de l'étoile apparaîtront sous forme d'une sorte de code barre qui se décale périodiquement vers le bleu et le rouge lorsque l'étoile s'approche et s'éloigne de nous, comme le montre cette vidéo. Plus ce décalage est important, plus la vitesse radiale de l'étoile selon notre direction est grande. C'est comme cela que l'on peut déterminer la masse minimale de la planète et sa période de révolution. © ESO/L. Calçada/YouTube

La méthode du transit commence également à permettre la détection des superterres, avec les satellites Corot et Kepler notamment. De plus elle fournit une estimation du rayon de l'exoplanète. Mais des transits sont rares. Il faut observer un grand nombre d'étoiles et obtenir au moins trois transits pour commencer à être certain d'avoir fait une découverte avec cette méthode, ce qui peut vouloir dire attendre plus d'une année. Le plus souvent, on a donc démontré l'existence d'une exoplanète avec la méthode des vitesses radiales. Si la détection de la planète se fait à la fois par transit et en vitesse radiale, c'est le jackpot ! Cela réduit fortement l'incertitude sur la masse de l'exoplanète. Connaissant alors sa masse et son rayon, on peut déterminer une densité et savoir si l'on est en présence d'une planète essentiellement rocheuse ou s'il s'agit d'une planète océan.

Toutefois, les progrès dans la méthode des transits sont tels qu'ils sont en train de rejoindre la fiabilité des vitesses radiales pour la capacité à démontrer que l'on a effectivement découvert une exoplanète et pas simplement observé une modification transitoire de la luminosité propre d'une étoile.

(à lire : la seconde partie de l'interview sur les superterres)