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Une moisson d'exoplanètes attendue à partir de 2011 grâce à Gaïa

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Pierre angulaire du programme astronomie de l'Agence Spatiale Européenne, le satellite Gaïa, qui devrait être lancé en 2011 par une fusée Ariane 5, traquera les mouvements stellaires dans la Galaxie afin de mieux comprendre la dynamique qui anime celle-ci. Mais ce n'est pas tout, et les astronomes en attendent beaucoup plus, notamment dans l'étude des exoplanètes.

Le satellite Gaïa de l'Agence Spatiale Européenne (ESA)

En matière scientifique, les sentiers de la découverte sont rarement rectilignes. De nombreuses avancées spectaculaires, et non des moindres, ont été faites en dehors du but poursuivi. Ainsi, lorsque Mayor et Queloz découvrirent la première planète extrasolaire en octobre 1995, ce sont des naines brunes qu'ils recherchaient. Dans la même optique, quoi de plus tentant de vouloir profiter des potentialités inégalées d'un satellite destiné à explorer les méandres de la Galaxie sous une résolution inédite pour traquer, justement, les exoplanètes ?

L'espoir est justifié. Une des fonctions de Gaïa est d'obtenir des observations astrométriques, photométriques et d'analyse de tout objet non simple jusqu'à la vingtième magnitude, et en particulier de fournir les éléments orbitaux de systèmes binaires ou multiples. Ce qui devrait apporter une impressionnante moisson d'exoplanètes par déduction des variations orbitales stellaires.

Parmi les étoiles situées à moins de 200 parsecs du Soleil, Gaïa devrait ainsi détecter environ 2000 planètes de type Jupiter, avec des séparations orbitales comprises entre 0,1 et 10 unités astronomiques, et en déterminer une orbite astrométrique fiable. Des planètes de masse comparable à Uranus seront détectables à condition qu'elles orbitent entre 2 et une centaine d'unités astronomiques (UA). Ces multiples découvertes devraient en outre servir à orienter les recherches de la future mission DARWIN, dont le but ultime sera de rechercher des planètes telluriques présentant la signature spectrale de la photosynthèse végétale au travers de bandes d'ozone. De telles exoplanètes devraient en effet être recherchées autour d'étoiles de type solaire possédant des planètes géantes orbitant à plus de 3 unités astronomiques, protégeant ainsi les planètes telluriques d'impacts cométaires déstabilisant l'évolution des espèces vivantes.

Une telle moisson permettra aussi d'étudier les propriétés statistiques des orbites, ainsi que la distribution des masses des exoplanètes. La propriété des objets découverts jusqu'à présent, de masses réparties entre 0,05 à 10 fois cette de Jupiter, soulèvent encore de nombreuses interrogations car plusieurs de ces corps, les "Jupiter chauds", en orbite très rapprochée autour de leur étoile, ne cadrent pas avec les théories traditionnelles de formation de systèmes planétaires, qui postulent que les planètes géantes se forment sur des orbites circulaires à plusieurs UA de leur étoile hôte.

Planètes et naines brunes forment les deux catégories de compagnons stellaires, les deuxièmes étant des corps exclusivement gazeux. Mais les différences restent floues notamment en matière de propriétés orbitales et de masses, et l'apport espéré de Gaïa est de mieux comprendre les processus de formation de ces deux types d'objets par comparaison de leurs différentes propriétés.

Les mesures astrométriques de l'ordre de 20 micro-secondes d'arc attendues de Gaïa permettront de détecter une grande quantité de planètes de masse inférieure à Jupiter avec une meilleure caractérisation en termes de masse et d'éléments orbitaux. L'analyse de la distribution de ces objets jusqu'à une grande distance orbitale de l'étoile permettra une meilleure compréhension des conditions initiales de formation des systèmes stellaires.

Le traitement des données de centaines de milliers d'étoiles autour desquelles une exoplanète sera recherchée exigera une puissance de calcul considérable. Pour cela, des programmes sont en cours de développement à l'Institut d'Astronomie et d'Astrophysique de l'Université Libre de Bruxelles (IAA-ULB), et seront exploités sur les calculateurs du CNES à Toulouse. La définition de tests de fiabilité des orbites astrométriques en constitue un des éléments essentiels, car les orbites d'exoplanètes seront caractérisées par un faible rapport signal sur bruit, facteur encore aggravé car dans la plupart des cas, le faible éclat des étoiles concernées empêchera d'en corroborer les orbites par des études spectrométriques effectuées depuis le sol.

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