Cette représentation d’artiste montre une vue de la surface de la planète Proxima b en orbite autour de la naine rouge Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche du Système solaire. Le système d’étoiles doubles Alpha Centauri AB figure dans l’angle supérieur droit de l’image. Proxima b est dotée d’une masse légèrement supérieure à celle de la Terre et décrit une orbite autour de Proxima Centauri, au sein même de la zone d’habitabilité de cette étoile, de sorte que sa température de surface est compatible avec la présence d’eau liquide. © M. Kornmesser, ESO

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Proxima b : une interview exclusive de Christophe Lovis

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À l'observatoire de Genève, Christophe Lovis chasse les exoplanètes. Lui et ses collègues pensent même en avoir détecté une en 2012 autour d'Alpha Centauri B, qui fait partie d'un système stellaire triple. Dans ce système, on vient maintenant d'en découvrir une autre : l'exoplanète Proxima b. Quelle est sa nature ? Son habitabilité est-elle réelle ? Sera-t-il possible d'y découvrir un jour des traces de vie ? Christophe Lovis nous répond dans cette interview.

En 2012, des astrophysiciens annonçaient une découverte retentissante, celle de l'exoplanète Alpha Centauri Bb. Très probablement rocheuse et d'une masse comparable à celle de la Terre, elle était à seulement 4,3 années-lumière du Soleil, en orbite autour de l'étoile Alpha Centauri B, elle-même membre d'un système stellaire triple. Cette belle découverte avait été réalisée avec le célèbre spectrographe Harps équipant le télescope de 3,6 mètres de l'observatoire de La Silla de l'ESO. On la doit à une équipe composée essentiellement d'astrophysiciens de l'université de Genève, dont les deux premiers découvreurs d'une exoplanète autour d'une étoile de la séquence principale, à savoir Michel Mayor et Didier Queloz.

L'existence d'Alpha Centauri Bb a depuis été questionnée. Mais parmi ses découvreurs se trouvait le Suisse Christophe Lovis en poste à l'observatoire de Genève. Le chercheur travaille sur la détection et la caractérisation de systèmes planétaires par la méthode des vitesses radiales, ainsi que sur la caractérisation des atmosphères des exoplanètes.

La découverte de l'exoplanète Proxima b, située autour de Proxima Centauri, est l'aboutissement du programme d'observation des membres de l'équipe de Pale Red Dot. © European Southern Observatory (ESO)

Christophe Lovis a plusieurs découvertes d'exoplanètes à son tableau de chasse et il est l'auteur d'un cours à ce sujet accessible sur Coursera. Il était donc naturel que Futura-Sciences se tourne vers lui pour qu'il nous parle de la découverte récente de Proxima b. Cette exoplanète a également été repérée dans le système triple d'Alpha du Centaure et se trouverait en orbite autour de Proxima du Centaure, l'étoile la plus proche du Soleil, aussi appelée Proxima Centauri.

L’astrophysicien Christophe Lovis a passé son doctorat à l'observatoire de Genève sous la direction de Michel Mayor en 2007. Il a contribué à la découverte du fait qu'une grande partie des étoiles sont entourées par des Neptune et des superterres. Ses travaux portent également sur la caractérisation des atmosphères des exoplanètes et l'étude de l'activité magnétique stellaire. © Christophe Lovis

Proxima b pourrait-elle être une planète océan ou une géante gazeuse ?

Christophe Lovis : Peut-être. On ne connaît pas l'angle sous lequel est vu son plan orbital et on sait seulement que sa masse ne peut être inférieure à 1,3 fois celle de la Terre. En effet, la méthode des vitesses radiales ne nous permet pas d'avoir accès directement à la masse d'une exoplanète, mais seulement à la plus petite valeur possible compatible avec les observations. Il entre en effet en jeu, dans les équations permettant de déterminer cette masse, un facteur qui dépend de l'angle d'inclinaison du plan orbital de l'exoplanète autour de son étoile par rapport à un observateur. Dans le cas d'un transit planétaire, on observe ce plan par la tranche, ou peu s'en faut, et on sait alors que ce facteur est très proche de 1, de sorte que l'on peut en théorie connaître exactement cette masse.

Avec un transit planétaire, on peut aussi déterminer le rayon d'une exoplanète. Si on connaît également sa masse, on peut calculer une densité, ce qui nous donne des renseignements sur l'intérieur de l'exoplanète et sa composition. Une faible densité indique la présence d'une atmosphère épaisse, voire d'un océan global très profond. Une exoplanète contenant 50 % de sa masse sous forme d'eau aurait ainsi un grand rayon. Mais il semble peu probable que Proxima b effectue des transits étant donné la petite taille de Proxima Centauri, et nous n'en avons d'ailleurs pas observés.

Il n'est donc pas interdit de penser qu'elle soit en fait une superterre, une mini-Neptune ou même qu'elle ressemble à Jupiter. Le calcul des probabilités et les statistiques montrent en fait qu'il est bien plus probable qu'elle soit une exoplanète rocheuse, avec une masse inférieure à deux fois celle de la Terre.

L'article de Nature laisse entendre qu'il y a des indices de la présence d'une deuxième exoplanète, une superterre. Proxima Centauri peut-elle avoir d'autres surprises en réserve ?

Christophe Lovis : Effectivement, un second signal a été détecté, qui pourrait correspondre à une superterre dont la période orbitale serait comprise entre 60 et 500 jours. Il faut toutefois rester prudent. Ce second signal n'est pas aussi fermement établi que celui de Proxima b car il pourrait simplement résulter de l'activité magnétique de l'étoile. Mais on y verra plus clair en continuant à accumuler les observations et les mesures. Si une seconde exoplanète existe, son signal finira par émerger clairement du bruit causé par les variations de l'activité de Proxima Centauri.

Le principe de la détection d'une exoplanète par la mesure d'un décalage spectral par effet Doppler-Fizeau. 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 ainsi que l'on peut déterminer la masse minimale de la planète et sa période de révolution. © ESO, L. Calçada via YouTube

Que peut-on attendre de l'analyse de son atmosphère, si toutefois elle en possède une, notamment si elle ne transite pas ? Plus généralement, quels sont les espoirs d'une imagerie directe ou de la découverte de biosignatures dans le futur, et avec quels instruments cela serait-il possible ?

Christophe Lovis : On pourrait commencer à voir des choses intéressantes sur Proxima b et son atmosphère avec le télescope spatial James Webbs qui sera mis en orbite en 2018. En l'occurrence, mais cela restera difficile, on détectera peut-être les modulations des émissions infrarouges combinées de Proxima Centauri et Proxima b dues au fait que la planète nous présente, au cours de son orbite, alternativement son côté éclairé et son côté nuit.

Mais pour une imagerie directe, il faudrait atteindre une résolution suffisante pour que Proxima b et Proxima Centauri apparaissent distinctes sur une photographie, ce qui est impossible aujourd'hui. De même que pour la détection de biosignatures, il faudra peut-être attendre la mise en service de l'E-ELT, le télescope géant européen de l'ESO avec son optique adaptative, qui devrait voir sa première lumière en 2024. On devrait alors pouvoir détecter plusieurs molécules clés qui, si elles sont toutes là, rendent probable l'existence d'une forme de vie, à savoir l'oxygène, l'ozone et la vapeur d'eau.

Toutefois, mes collègues et moi, nous venons tout juste de déposer sur arXiv un papier à ce sujet.  Le spectrographe Espresso (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet- and Stable Spectroscopic Observations, soit en français Spectrographe échelle pour l'observation de planètes rocheuses et des observations spectroscopiques stables) est bientôt opérationnel au VLT où il rejoindra l'instrument Sphere (Spectro-Polarimètre à Haut contraste dédié à la REcherche d'Exoplanètes) qui l'équipe déjà. Nous estimons qu'en les perfectionnant puis en les combinant, il devrait être possible tout à la fois d'imager Proxima b et de commencer à détecter des indices de la présence de biosignatures dans un avenir proche. Pour le moins, les résultats que l'on devrait obtenir nous aideront à préparer des campagnes d'observations de Proxima b avec l'E-ELT.

Quelles implications la découverte de Proxima b a-t-elle sur le nombre de planètes potentiellement habitables dans la Galaxie ?

Christophe Lovis : Cela confirme bien les estimations qui nous indiquaient déjà qu'il existerait des milliards d'exoplanètes potentiellement habitables dans la Voie lactée. Il devrait y avoir de toute façon au moins une étoile sur deux avec une exoplanète.

Que peut-on déjà dire de l'habitabilité potentielle de Proxima b, étant donné qu'elle tourne autour d'une naine rouge (d'où un champ magnétique puissant et une possible érosion de son atmosphère) et qu'elle est peut-être en rotation synchrone ?

Christophe Lovis : Il est difficile de répondre car l'habitabilité d'une exoplanète dépend de beaucoup de paramètres. Une naine rouge de type M, comme Proxima Centauri, peut émettre brusquement de grandes quantités de rayons X et ultraviolets, qui sont délétères pour la vie. Ce rayonnement peut aussi casser des molécules d'eau, en donnant de l'hydrogène qui peut partir dans l'espace, conduisant finalement à l'évaporation des océans. Mais avec une atmosphère suffisamment épaisse et la bonne composition, ces risques sont écartés. Le vent stellaire (comme notre vent solaire) peut aussi, en effet, conduire à l'érosion d’une atmosphère. Mais si l'exoplanète a un champ magnétique suffisamment fort, là aussi, le problème disparaît.

Il est possible que Proxima b soit effectivement en rotation synchrone, présentant toujours la même face à Proxima Centauri. Mais comme l'ont montré les simulations numériques 3D du climat de Proxima b, inspirées par celles que l'on sait faire pour la Terre, l'exoplanète pourrait tout de même posséder, dans certains cas de figure, des zones habitables avec de l'eau liquide grâce aux courants atmosphériques répartissant la chaleur sur les deux hémisphères.

Superposition d’une vue du ciel austral, acquise par le télescope de 3,6 mètres de l’ESO à l’Observatoire de La Silla au Chili, et d’images de l’étoile Proxima Centauri (angle inférieur droit) et du système d’étoiles double Alpha Centauri AB (angle inférieur gauche) acquises par le télescope spatial Hubble. Proxima Centauri est l’étoile la plus proche du Système solaire. Elle est l’hôte de la planète Proxima b, découverte au moyen de l’instrument Harps qui équipe le télescope de 3,6 mètres de l’ESO. © Y. Beletsky (LCO), ESO, Esa, Nasa, M. Zamani

Vous et vos collègues aviez annoncé la découverte d'une exoplanète autour d'Alpha Centauri B il y a quelques années. Son existence a été remise en question depuis. Où en est-on ?

Christophe Lovis : Mes collègues et moi avions en effet observé durant plusieurs années cette étoile avec le spectrographe Harps. Nous étions finalement parvenus à la conclusion, publiée dans un article de Nature en 2012, qu'une exoplanète d'une masse comparable à celle de la Terre orbitait en environ trois jours autour de la naine orange. Sa température de surface étant supérieure à 1.000 °C, elle était cependant inhabitable. En 2015, des doutes parfaitement justifiés ont été formulés quant à l'existence d'Alpha Centauri Bb mais ils ne m'ont pas encore complétement convaincu.

Il est vrai que l'interprétation des mesures n'est pas facile. Quand nous avons fait nos observations, Alpha Centauri A et Alpha Centauri B, qui forment un système stellaire triple avec Proxima, étaient proches. Il fallait donc tenir compte des mouvements orbitaux des deux étoiles l'une autour de l'autre, ce qui produit également un décalage Doppler pouvant fausser les mesures des vitesses radiales. Leurs rayonnements se mélangeaient plus facilement, conduisant là aussi à des biais. Les deux étoiles se sont depuis éloignées et nous allons pouvoir reprendre nos observations et accumuler de nouvelles mesures, de sorte que dans les années à venir il sera possible de trancher la question de l'existence d'Alpha Centauri Bb.

En route vers Proxima b, l'exoplanète habitable la plus proche de nous  Quittez le Système solaire pour rejoindre Proxima b, l’exoplanète habitable découverte autour de Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche du Soleil.