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Le lithium : une clé pour détecter des exoplanètes

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Une énigme datant de plus de 60 ans commence à trouver des éléments de réponse : celle de la rareté du lithium dans l'atmosphère solaire. Selon un groupe d'astronomes, elle serait liée à la présence d'un système planétaire. Confortée par les observations des exoplanètes, cette hypothèse fournit un critère pour en découvrir d'autres.

Une image d'artiste montrant une étoile entourée d'un disque protoplanétaire. Crédit : ESO/L. Calçada

Que de chemin parcouru par la spectroscopie stellaire depuis l’interdit lancé aux études astrophysiques par Auguste Comte, il y a plus de 150 ans. Depuis longtemps, elle nous permet de déterminer la composition chimique des étoiles et les pressions, températures et intensités de champs magnétiques dans leurs atmosphères. Aujourd'hui, elle nous livre peut-être le moyen de détecter des systèmes planétaires en un rien de temps.

Cela a commencé par un obscur problème d'astrophysique mariant astrophysique nucléaire et théorie des atmosphères stellaires. On avait remarqué, il y a près de 60 ans, que l'atmosphère du Soleil était particulièrement pauvre en lithium par rapport à celles des étoiles de la même famille, les naines jaunes. De façon très étrange, l'abondance en lithium était même 140 fois plus faible que celle des protoétoiles étudiées. Or, si l'on sait que certaines réactions thermonucléaires dans les étoiles sont capables de détruire les noyaux de lithium qui sont plutôt fragiles, la faiblesse des températures de couches supérieures du Soleil ne pouvait en aucun cas expliquer le manque de lithium.

Le problème était donc double : pourquoi le Soleil était-il pauvre en lithium et était-il plus pauvre en lithium que certains de ses cousins ?

Une coupe de l'intérieur du Soleil montre les importances relatives des zones radiatives et convectives. Crédit : Cnes

Certains avaient bien pensé depuis quelque temps à une explication possible mais les données manquaient pour l'accréditer.

Tout d'abord, il faut savoir que le Soleil est constitué de plusieurs couches, au-dessus de son noyau où ont lieu les réactions thermonucléaires générant photons et neutrinos. Lorsque l'on descend sous sa surface en direction du centre, on trouve d'abord la couche convective puis ensuite la couche radiative. Dans la première, la conduction de chaleur est dominée par les courants convectifs puissants du plasma solaire, similaires à ceux dans une casserole d'eau en ébullition, et dans la deuxième c'est le transfert par radiation qui est dominant.

Plus on s'enfonce à l'intérieur du Soleil plus la température augmente. De 6.000 K à sa surface, elle atteint 2 x 106 K à la base de la zone convective. Alors que les neutrinos s'échappent en quelques secondes du Soleil, les photons émis dans le cœur peuvent mettre un million d'années à quitter le Soleil, à cause de multiples collisions avec les particules du plasma solaire, d'où leur mouvement en zig-zag blanc sur le schéma. Crédit : UCB Center for Science Education

Selon l'âge et la masse d'une étoile, ces zones sont ou ne sont pas toutes présentes et leur importance relative n'est pas la même. Ainsi, dans une géante rouge, la partie convective constitue presque toute l'étoile. Qui dit convection dit mélange, ce qui veut dire que la matière dans les couches hautes d'une étoile peut être amenée plus en profondeur si elle se trouve dans la zone convective. Un moyen d'expliquer le manque de lithium dans le Soleil est donc de supposer qu'à un moment donné, la convection solaire l'a emporté à une profondeur suffisante pour que la température détruise les noyaux.

Etrangement, depuis la découverte de la première exoplanète par Michel Mayor et Didier Queloz en1995, certaines des étoiles semblables au Soleil, et possédant une ou des exoplanètes, présentaient elles aussi un déficit de lithium dans leur atmosphère. Se peut-il que le processus de formation des planètes soit responsable de ce manque de lithium en perturbant les mouvements de convection à l'intérieur de ces étoiles ?

Cliquez pour agrandir. La zone convective est largement dominante dans une géante rouge (à droite) par rapport au cas d'une étoile de type solaire (à gauche). Crédit : Eso

La première étape pour démontrer cette hypothèse consiste à s'assurer qu'il y a bien une corrélation nette entre déficit en lithium pour une étoile de type solaire et présence d'exoplanètes. C'est pourquoi Michel Mayor et ses collègues ont mesuré les abondances en lithium dans les atmosphères de 451 étoiles à l'aide du célèbre spectrographe Harps de l'ESO. Un quart de cet échantillon était constitué d'étoiles semblables au Soleil.

La réponse est alors arrivée. Sur les 70 étoiles de l'échantillon possédant des exoplanètes, l'immense majorité des étoiles de type solaire manquaient elles aussi de lithium !

Pour les chercheurs, cette étude, en éliminant plusieurs facteurs pouvant expliquer le déficit en lithium comme les différence d'âge ou de contenus en éléments lourds des étoiles, établit clairement une corrélation entre la présence d'exoplanètes et un déficit en lithium, celui-ci ne dépassant pas 1% de la quantité observée dans les autres étoiles.

Il semble bien que l'on dispose maintenant d'un critère pour sélectionner efficacement les étoiles à observer dans l'espoir d'y découvrir des systèmes planétaires. Peut-être ne va-t-on pas tarder à savoir si des exoplanètes existent autour d'Alpha du Centaure.

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