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A la recherche des exoplanètes

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En Septembre 2004, l'ESO annonçait avec fracas qu'une équipe de chercheurs était parvenue pour la première fois à photographier une planète extrasolaire, une exoplanète. En fait il ne s'agissait pas exactement d'une planète à l'image de la Terre mais plutôt d'un astre chaud 25 fois plus massif que Jupiter. (voir ci-dessous)

Le système solaire comprend 10 planètes - Sedna comprise - et des millions d'astéroïdes et de comètes. Peut-on découvrir ailleurs dans l'espace des systèmes planétaires équivalents ?

En utilisant des télescopes toujours plus puissants, au seuil de l'an 2000 les astronomes avaient détecté une centaine d'exoplanètes orbitant autour d'autant de systèmes stellaires, le plus proche du Soleil se situant à ce jour à 8 années-lumière (Lalande 21185), le plus éloigné à 17000 années-lumière (OGLE-235/MOA-53).

Aujourd'hui nous avons découvert plus de 150 exoplanètes.

 Image composite réalisée en septembre 2004 par l'équipe de Gael Chavin avec le VLT de l'ESO montrant l'une des étoiles de l'association stellaire TW Hydrae située à 230 a.l. autour de laquelle gravite une étoile naine brune baptisée 2M1207 (exactement 2MASSWJ1207334-393254). Il s'agit en fait d'une 'planète chaude' (GPCC) 25 fois plus massive que Jupiter (ou 42 fois moins massive que le Soleil) âgée de 8 millions d'années. La séparation angulaire est de 0.8' ou 8.25 milliards de km, soit environ deux fois la distance entre le Soleil et Neptune. 
© Document ESO/VLT

Image composite réalisée en septembre 2004 par l'équipe de Gael Chavin avec le VLT de l'ESO montrant l'une des étoiles de l'association stellaire TW Hydrae située à 230 a.l. autour de laquelle gravite une étoile naine brune baptisée 2M1207 (exactement 2MASSWJ1207334-393254). Il s'agit en fait d'une "planète chaude" (GPCC) 25 fois plus massive que Jupiter (ou 42 fois moins massive que le Soleil) âgée de 8 millions d'années. La séparation angulaire est de 0.8" ou 8.25 milliards de km, soit environ deux fois la distance entre le Soleil et Neptune. © Document ESO/VLT

En moyenne chaque année nous découvrons une dizaine d'exoplanètes. En avril 2001 par exemple des astronomes de l'Observatoire de Genève découvrirent 11 nouvelles exoplanètes orbitant autour d'étoiles similaires au Soleil. Aujourd'hui (Oct. 2004) les astronomes de la NASA confirment l'existence de 133 exoplanètes dans 98 systèmes stellaires.

Toutefois à ce jour deux exoplanètes seulement ont une masse 10 fois inférieure à celle de Jupiter (ou 30 fois plus massives que la Terre avec un diamètre voisin de 80000 km).

C'est un pourcentage qui ne reflète certainement pas la réalité car nos moyens d'investigation nous limitent actuellement à la recherche de planètes géantes similaires à Jupiter.

En quête d'autres Terre

Les planètes de la taille de la Terre sont invisibles, en-deçà de la résolution des instuments actuels. D'ici quelques années les astronomes espèrent tirer profit de télescopes spatiaux interférométriques et pourquoi pas de phénomènes de micro-lensing naturels qui permettraient, comme en 2003, de découvrir des exoplanètes sous la loupe d'une masse obscure située à l'avant-plan.

Ci-dessus, entre 2020 et 2050 la NASA envisage de placer sur orbite des hypertélescopes optiques dont le Redundant Linear Array de Lopez et al. proposé en 2000. Il s'agit d'un interféromètre de 150 km de diamètre susceptible de découvrir des signes de vie sur une exoplanète de la taille de la Terre située à 10 années-lumière telle celle simulée ci-dessous. Documents A.Labeyrie.

Parmi ces systèmes exoplanétaires, combien d'entre eux abritent des planètes du type de la Terre ? Actuellement un tiers des exoplanètes répertoriées ont une masse inférieure à celle de Jupiter (0.9 - 0.1 Mj).

Combien d'exoplanètes seraient susceptibles d'abriter la vie ? Neuf systèmes exoplanétaires ont été simulés sur ordinateur par l'équipe du Professeur Barrie Jones de l'Open University d'Angleterre et ont permis aux chercheurs de dériver quelques règles qui déterminent l'habitabilité dans 90% des cas.

Leur analyse montre que 50% des systèmes exoplanétaires pourraient avoir une exoplanète de même taille que la Terre gravitant au moins partiellement dans la zone habitable, et ce durant une période d'au moins un milliard d'années. Cette période a été choisie car on estime que c'est la durée minimale exigée pour que la vie émerge et s'installe sur une planète.

Ces simulations démontrent également que la vie pourrait se développer à un moment donné dans deux-tiers des systèmes exoplanétaires, étant donné que la zone habitable s'étend graduellement vers l'extérieur du système à mesure que l'étoile vieillit et devient plus active (stade géante rouge).

Toutes les exoplanètes découvertes à ce jour ont une masse voisine de celle de Jupiter. A son image, elles pourraient donc également être escortées d'un cortège de satellites de la taille et de la masse de la Terre ou de la Lune. La vie ne s'est pas développée sur les planètes géantes et gazeuses. Cependant, elle pourrait survivre sur les lunes de la taille de la Terre si la planète hôte gravite dans la zone habitable.

Les futurs programmes s'orientent vers la recherche d'exoplanètes gravitant uniquement autour d'étoiles similaires au Soleil et dont les planètes seraient susceptibles d'abriter des mondes habitables.

Selon Margaret Turnbull de l'université d'Arizona à Tucson, sur les 17129 étoiles candidates répertoriées dans le catalogue "Target Selection for SETI: I. A Catalog of Nearby Habitable Stellar Systems" de la NASA, 30 étoiles sont sur une liste courte parmi lesquelles 37 Gemini. C'est une étoile stable de classe G0, de magnitude 5.7, un peu plus chaude et un peu plus brillante que le Soleil (classe G2V naine).

Pratiquement tous les systèmes exoplanétaires découverts à ce jour à l'exception d'un ou deux astres l'ont été par le truchement des effets gravitationnels de la planète sur le mouvement de son étoile hôte dans le ciel, la faisant vaciller régulièrement sous l'effet de la gravitation. Pour minime qu'il soit, l'ampleur de ces oscillations peut être déterminée à partir de l'analyse spectrale des étoiles. Une autre méthode consiste, à l'image des étoiles binaires à éclipses, à découvrir le léger affaiblissement de la lumière de l'étoile lorsque la planète passe devant son disque.

Les futures découvertes sont susceptibles de contenir une proportion plus élevée de systèmes ressemblant à notre système solaire, où les planètes géantes orbitent à bonne distance de la zone habitable. La proportion de systèmes abritant des terres habitables doit donc aussi augmenter.

Vers 2050 ces chercheurs auront à leur disposition des télescopes spatiaux interférométriques qui devraient être capables de découvrir des astres de la taille de la Terre et déterminer s'ils sont susceptibles d'abriter la vie. Citons les projets LISE, Hyper-OVLA ou RLA, le Redundant Linear Array de Lopez qui serait capable de discerner des détails sur la surface d'une planète de la taille de la Terre à 10 années-lumière !

A court terme, 2006, la mission Kepler dirigée par le centre Ames de la NASA surveillera des milliers d'étoiles sur une période de quatre ans, recherchant des planètes transitant devant leur étoile hôte. Grâce à une caméra CCD très performante Kepler sera assez sensible pour détecter les astres de la taille de la Terre (30 à 600 fois moins massives que Jupiter) gravitant autour de plusieurs centaines d'étoiles proches. Ces études seront complétées vers 2012-2015 par des missions spécifiques orientées vers les exoplanètes affichant des signes de vie.

Une évaluation de la NASA indique que la mission Kepler prévue pour 2006 dans le cadre du programme Discovery devrait découvrir 50 exoplanètes terrestres si la plupart d'entre elles sont de la taille de la Terre, 185 exoplanètes si leur taille est 30% plus grande que celle de la Terre et 640 si elles sont deux fois plus grandes que la Terre ! En outre, on s'attend à ce que Kepler trouve quelque 900 exoplanètes géantes gravitant à courte distance des étoiles (

Et ceci est un résultat tenant compte de la technologie actuelle, utilisant un télescope de petit diamètre équipé de photomètre et de CCD. Imaginez le résultat auquel on peut s'attendre le jour où le premier hypertélescope sera opérationnel dans l'espace... Il s'appelle SIM et devrait voir le jour en 2009. Sa principale mission consistera à mesurer la distance des étoiles avec une précision 100 fois plus élevée que les mesures actuelles. Ceci améliorera les estimations de la taille de l'univers et aidera à déterminer la magnitude réelle des étoiles qui, en corollaire, permettra de préciser leur composition chimique et leur stade évolutif. SIM recherchera également des exoplanètes de la taille de la Terre gravitant dans la zone habitable autour d'environ 200 étoiles.
L'avenir reste fascinant.