Au cours de dix années dans l'espace, le télescope spatial Spitzer de la Nasa est devenu un outil de premier ordre pour l'étude des exoplanètes. Les ingénieurs et scientifiques derrière Spitzer n'avaient pas cet objectif en tête lorsqu'ils ont conçu l'observatoire dans les années 1990. Mais grâce à sa stabilité extraordinaire et à une série de retouches techniques après le lancement, Spitzer disposait de pouvoirs d'observation bien au-delà de ses limites et attentes d'origine. Cette vue d'artiste montre Spitzer entouré d'exoplanètes que le télescope a examinées. © Nasa, JPL-Caltech
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Les planètes du système Trappist-1 ont été pesées et caractérisées avec une précision inédite

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Autour de Trappist-1, les astronomes ont repéré sept exoplanètes. C'est la méthode des transits qui a été utilisée pour les découvrir et les étudier. Mais comme il y a plusieurs corps en orbite, ils se perturbent les uns les autres, ce qui permet d'appliquer la méthode de la mesure des variations des temps de transit, alias TTV, pour déterminer les masses et les caractéristiques de ces exoplanètes, dont certaines sont peut-être intéressantes pour l'exobiologie. L'astrophysicien Franck Selsis nous en dit plus à ce sujet.

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[EN VIDÉO] Exoplanètes : découvrez la vue depuis la planète Trappist-1 h  Nous voici près de Trappist-1 h, la plus éloignée des sept planètes de tailles terrestres qui gravitent autour de Trappist-1. Son petit soleil rougeoyant est à moins de 10 millions de kilomètres, soit un sixième de la distance entre Mercure et le Soleil. Depuis ce monde qui, selon la composition de son atmosphère peut être couvert d’eau liquide ou de glace, on peut voir ses six sœurs transiter devant leur étoile. 

Les deux derniers prix Nobel de physique ont couronné des travaux en astronomie et récompensé des chercheurs qui le méritaient depuis longtemps, comme Sir Roger Penrose en 2020. Mais, en 2019, ce n'était pas les trous noirs mais la cosmologie et les exoplanètes qui étaient à l'honneur avec les Suisses Michel Mayor et Didier Queloz pour leur découverte de la première exoplanète autour d'une étoile sur la séquence principale.

Le monde des exoplanètes, nous n'en sommes encore qu'au début de son exploration, bien que plus de 4.000 d'entre elles soient connues de l'humanité dans la Voie lactée et comptabilisées par le célèbre site de l'Encyclopédie des planètes extrasolaires fondé en 1995 par l'astronome Jean Schneider de l'observatoire de Paris. Ce monde nous intéresse particulièrement car certaines d'entre elles pourraient bien avoir été le lieu de naissance de formes de vie similaires à celles que nous connaissons sur notre Planète bleue. Le CEA ne s’y est pas trompé et il a consacré à ces questions plusieurs vidéos formant une websérie où l'on parle aussi bien des techniques de détections des exoplanètes que des modélisations de leurs atmosphères, à la recherche de biosignatures que pourrait découvrir une nouvelle génération d'instruments. Ces vidéos vont nous aider à mettre dans le contexte les travaux récents concernant les exoplanètes de Trappist-1 .

En 1995, la détection d’une exoplanète, une planète en orbite autour d’un autre Soleil, ouvre le rêve d’autres mondes à l’Univers tout entier. Combien sommes-nous de planètes habitables voire habitées dans notre Galaxie : des milliards ou une seule ? De nouvelles techniques d’observation depuis l’espace améliorent la sensibilité. Avec le télescope spatial Kepler, le nombre d’exoplanètes explose. En 2018, on en dénombrait près de 4.000. Partez à la découverte des exoplanètes à travers notre websérie en neuf épisodes. Une vidéo à retrouver chaque semaine sur notre chaîne YouTube. Une playlist proposée par le CEA et l’Université Paris-Saclay dans le cadre du projet de recherche européen H2020 Exoplanets-A. © CEA Recherche

Les méthodes de détection des exoplanètes

Rappelons qu'il existe deux techniques principales pour découvrir des exoplanètes, celle des transits et celle des vitesses radiales. La première fournit la période orbitale d'une exoplanète et son rayon, mais pas directement sa masse, et elle ne permet que de découvrir des exoplanètes faisant des transits autour de leur étoile hôte. La seconde est efficace, sans transit, et elle donne aussi la période orbitale ainsi que la présence de plusieurs exoplanètes avec des contraintes sur leurs masses et les excentricités des orbites.

Lorsque les deux méthodes sont possibles, on obtient non seulement une mesure de la masse mais aussi de la densité de l'exoplanète, ce qui nous renseigne sur sa nature. S'agit-il d'une planète rocheuse, d'une géante gazeuse ou même d'une planète océan ?

On cherche surtout à trouver des exoplanètes rocheuses potentiellement habitables, avec une atmosphère dans l'espoir d'y découvrir bientôt des biosignatures. Rappelons, comme nous l'avait expliqué à plusieurs reprises l'astrophysicien Franck Selsis, bien connu des lecteurs de Futura pour ses travaux sur les exoplanètes et notamment la recherche de biosignatures, que les notions d'habitabilité et de biosignatures justement ne vont pas de soi et qu'une grande prudence s'impose à leur sujet lorsque l'on découvre des exoplanètes pouvant être « sexy ».

Les méthodes de détection des exoplanètes se sont largement diversifiées depuis les années 1990. Elles peuvent se classer en deux grandes catégories, les méthodes directes et les méthodes indirectes. Les trois méthodes principales sont la méthode directe d’imagerie, la méthode indirecte du transit et la méthode indirecte de la vitesse radiale. © CEA Recherche

Pour être à la portée des instruments comme ceux équipant le télescope spatial James-Webb, les atmosphères que l'on pourrait étudier se doivent d'être autour d'exoplanètes telluriques à quelques dizaines d'années-lumière du Soleil tout au plus. Un multisystème planétaire est prometteur à cet égard, celui de Trappist-1 donc, à seulement 40 années-lumière du Système solaire environ.

Les astronomes viennent d'obtenir de nouvelles estimations plus précises des masses des exoplanètes connues dans ce système en utilisant une méthode à laquelle Futura avait consacré le précédent article ci-dessous, celle de la mesure des variations des temps de transit, alias TTV. Franck Selsis a participé à ces nouvelles estimations et il a permis à Futura de reprendre le texte (voir ci-après) d'un article qu'il vient de consacrer au travail que lui et ses collègues ont réalisé.

L'astrophysicien Franck Selsis étudie les atmosphères planétaires et l'exobiologie. © Benjamin Pavone

« Une planète orbitant seule ou suffisamment loin de ses autres compagnons planétaires gravite autour de son étoile sur une orbite strictement périodique, dite Képlérienne, et son année a une durée fixe invariable. Ce n'est plus le cas si l'orbite est perturbée par la gravité d'autres corps. C'est ainsi qu'en 1846, Urbain Le Verrier parvint à prédire l'existence et la position de Neptune à partir des irrégularités de l'orbite d'Uranus. Les sept planètes connues de la très petite étoile Trappist-1 forment un cortège planétaire très compact et chaque planète voit son orbite légèrement perturbée par ses planètes voisines. Vues depuis la Terre, ces sept planètes passent à chaque orbite devant le disque de leur étoile, produisant une baisse apparente de la luminosité qui permet de mesurer leur rayon. Les interactions gravitationnelles entre les planètes font que ces transits ne se produisent pas de façon strictement périodique mais avec une avance ou un retard pouvant atteindre plusieurs dizaines de minutes.

Une mise en perspective des tailles du Système solaire et du système planétaire de Trappist-1 ainsi que celle des lunes principales autour de Jupiter. © Eric Agol, Franck Selsis

On appelle le chronométrage de ces retards et avances des TTV (Transit Timing Variations). Ces écarts dépendent du détail des caractéristiques des orbites (distance ou période orbitale, excentricité, inclinaison des orbites entre elles) et bien entendu de la masse des planètes. Si nous connaissions parfaitement ces grandeurs, nous pourrions prédire tout aussi parfaitement le moment exact des transits. Mais le problème inverse consistant à caractériser les planètes et leurs orbites à partir du chronométrage des transits est autrement plus complexe...

En utilisant les centaines de transits mesurés avec les télescopes spatiaux Spitzer et K2 (respectivement et définitivement éteints en janvier 2020 et novembre 2018) et depuis des télescopes au sol, Eric Agol et son équipe internationale viennent de publier un travail sans précédent de détermination des masses, rayons et paramètres orbitaux du système. Le principe consiste à simuler le système avec un modèle à 8 corps en essayant à chaque simulation un jeu de masses et de paramètres orbitaux différent. On ne conserve que les simulations compatibles avec les observations, qui contraignent ainsi ces paramètres. Mais cela fait beaucoup de paramètres indépendants et cette méthode pourrait prendre un temps considérable même sur de puissants ordinateurs ; il a donc fallu imaginer des méthodes statistiques beaucoup plus malignes, et inédites, pour explorer cet espace des paramètres.

Trappist-1 est une étoile de type naine brune située à 40 années-lumière de la Terre. Sa taille est comparable à celle de la planète Jupiter. En utilisant la méthode du transit planétaire, des observations photométriques depuis le sol et l’espace ont révélé que sept planètes orbitaient autour de la naine ultra-froide. Mais quelles sont précisément leurs caractéristiques ? © CEA Recherche

Dans des solutions compatibles, les effets de relativité générale (responsables dans le Système solaire d'un phénomène appelé l'avance de périhélie de Mercure) et les effets de marées ont également été introduits pour vérifier qu'ils n'altéraient pas l'accord entre modèle et observations. Nous avons pu montrer par ailleurs que ces effets seront peut-être mesurables sur le long terme.

Pourrait-il y avoir d'autres planètes autour de Trappist-1 ? Le système étant très compact, il n'y a pas de place entre les planètes mais il pourrait y avoir des planètes au-delà de la planète h (la plus externe) ou entre l'étoile et la planète b (la plus interne). Nous n'en voyons pas les transits mais elles pourraient être sur des orbites plus inclinées que les autres, ne croisant pas le disque de l'étoile. Dans ce cas, selon les masses et les orbites de ces planètes additionnelles, nous aurions pu nous trouver incapables de reproduire les variations de temps de transit du système. Mais ce n'est pas le cas. On pourrait également améliorer cet accord en ajoutant une planète mais ce n'est pas non plus ce qu'il se passe. Au final, s'il peut exister une planète extérieure, elle est trop peu massive ou trop loin pour perturber les planètes connues de façon détectable dans les données actuelles.

Une atmosphère planétaire possède une signature spectrale qui représente sa composition chimique, mais également sa composition en nuages et « brouillard ». Grâce à plusieurs techniques, il est possible de déterminer les caractéristiques physico-chimiques de l'atmosphère d'une exoplanète. Parmi ces techniques : le transit spectroscopique, le transit secondaire ou éclipse, l’observation spectroscopique directe de la planète ou encore l'observation de la planète à différentes phases autour de l'étoile afin de mesurer des variations temporelles et saisonnières. © CEA Recherche

Finalement cette méthode nous a permis d'améliorer considérablement la précision sur les masses et les rayons des planètes et donc également les diagnostics sur leur composition. On voit que la densité des planètes est compatible avec une composition à peu près terrestre, légèrement moins dense. Cette densité plus faible peut s'expliquer de différentes façons : soit par une plus grande teneur en eau que la Terre (qui vaut un peu moins que 0,1 % de sa masse), soit par une teneur moindre en fer. Nous pouvons mettre des limites supérieures sur la quantité d'eau : pour les planètes externes, à partir de la planète e, la teneur en eau ne peut dépasser 5-10 % de la masse totale. Pour les planètes plus internes (bc et d) où l'eau ne peut exister à l'état liquide et doit former une atmosphère, la contrainte est plus forte car le rayon apparent de la planète est très augmenté par une telle enveloppe de vapeur : ces planètes sont au moins 10 % plus sèches que la Terre.

Une comparaison des masses, tailles et compositions estimées des exoplanètes de Trappist-1 avec les planètes du Système solaire. © Eric Agol, Franck Selsis

L'amélioration des éphémérides orbitales permet également de prévoir avec une précision accrue les transits à venir, notamment pour planifier et optimiser les observations avec le télescope spatial James-Webb qui sera lancé l'an prochain. Avec celui-ci, nous pourrons tenter des observations de l'atmosphère de ces planètes (si elles en ont une) et poursuivre ainsi la caractérisation de ces 7 mondes. »

Pour ceux qui veulent en savoir plus :

Un système extrasolaire extraordinaire vient d’être découvert à 40 années-lumière de nous : sept planètes tempérées et de taille proche de celle de la Terre orbitent autour d’une petite étoile très froide appelée Trappist-1. Trois de ces planètes pourraient avoir des conditions à leur surface propices à la présence d’eau liquide. Les perspectives d’observations complémentaires rendent ce système particulièrement excitant : en particulier l’atmosphère de ces planètes pourra être sondée grâce au télescope spatial James-Webb auquel le CEA contribue activement. Intervenant(e)s : Émeline Bolmont, post-doctorante au Laboratoire dynamique des étoiles, des exoplanètes et de leur environnement (LDEE) à l'Irfu, parle de la découverte des planètes de Trappist-1 ; Stéphane Mathis, chercheur au Service d'astrophysique de l'Irfu, explique les résultats des forces de marées considérables qui s'exercent sur ces exoplanètes ; Antoine Strugarek, post-doctorant au LDEE à l'Irfu, montre l'influence des champs magnétiques des étoiles et des planètes sur l'organisation des systèmes d'exoplanètes ; Pierre-Olivier Lagage, chercheur au Service d'astrophysique de l'Irfu, explique la mission du télescope spatial James-Webb (JWST) pour analyser les atmosphères de ces exoplanètes. © CEA Recherche

Pour en savoir plus

Exoplanètes : la méthode TTV donne la masse d'une compagne invisible

Article de laurent Sacco publié le 20 décembre 2013

Autour de Trappist-1, les astronomes ont repéré trois puis sept exoplanètes, plutôt de petites tailles. Parce qu'il y a plusieurs corps en orbite, ils se perturbent les uns les autres. La mesure des variations des temps de transit, alias TTV, permet ainsi de débusquer plusieurs exoplanètes et même d'en estimer la masse. Un résultat qu'aurait sans doute apprécié à sa juste valeur le grand mathématicien Lagrange, dont on fêtait le bicentenaire de la mort en 2013.

L'institut Henri Poincaré a fêté cette année le bicentenaire de la mort du grand mathématicien, mécanicien et astronome italien Joseph Louis Lagrange (en italien Giuseppe Lodovico de Lagrangia). Né à Turin le 25 janvier 1736, il est mort à Paris le 10 avril 1813. Les physiciens des particules connaissent bien son nom, puisque les équations du modèle standard sont sous la forme d'une équation mathématique que l'on appelle un lagrangien.

Le formalisme mathématique de Lagrange domine en réalité toutes les équations de la physique théorique la plus fondamentale, en particulier avec la théorie quantique des champs et la fameuse intégrale de chemin de Feynman. C'est d'ailleurs souvent en partant des équations de Lagrange que Landau commence les tomes de son fameux cours de physique théorique, comme ceux consacrés aux équations de Maxwell et d'Einstein ou à la mécanique.

Le grand mathématicien Lagrange a changé la face des mathématiques et de la physique en posant les bases du calcul variationnel et de la mécanique analytique. Ses travaux en mécanique céleste sont fondamentaux, mais Lagrange avait aussi commencé à défricher le territoire où Évariste Galois découvrira la théorie des groupes. © Institut Henri Poincaré, YouTube

Lagrange et le calcul des perturbations planétaires

Les travaux de Lagrange sont bien connus aussi de ceux qui s'occupent de mécanique céleste. Qui n'a jamais entendu parler par exemple des fameux points de Lagrange, comme L2 autour duquel orbitait le satellite Planck et va orbiter Gaia, mais aussi L5, qui fait rêver ceux qui voudraient réaliser les colonies spatiales de Gerard O'Neill ? Moins connus du grand public cultivé sont les travaux de Lagrange qui concernent les mouvements des planètes en tenant compte des perturbations gravitationnelles qu'elles exercent les unes sur les autres. Ils sont pourtant d'une grande importance, car ils permettent de déterminer dans certains cas une partie de l'évolution des orbites et des mouvements d'au moins trois corps célestes. L'orbite de la Lune autour de la Terre serait simple à calculer s'il n'y avait l'influence du Soleil. Il en va de même pour celle de Jupiter avec le champ d'influence de Saturne et des autres planètes.

Les méthodes de Lagrange, perfectionnées par des mathématiciens comme Laplace, Gauss, Poincaré et Arnold, permettent d'estimer les modifications de ces orbites qui, avec seulement deux corps s'attirant, seraient des ellipses avec des excentricités et des tailles fixes par exemple. Enfin, la théorie des perturbations permet de découvrir de nouvelles planètes en se basant sur des irrégularités des orbites calculées en ne tenant pas compte d'un corps céleste qui resterait à découvrir. C'est ce que firent Adams et Le Verrier pour découvrir Neptune.

La coupole du télescope de 1,93 mètre de l'observatoire de Haute-Provence (France) qui utilise le spectrographe Sophie, avec le champ de vue de Kepler. On a indiqué la position de l'étoile Kepler-88, qui possède un système planétaire surnommé le « roi des variations de temps de transit ». © Alexandre Santerne (CAUP)

La gravitation et ses lois sont jusqu'à la preuve du contraire universelles, et l'on peut même dire que les travaux de Lagrange sur la théorie des perturbations en mécanique céleste ont contribué à le démontrer. Ils doivent donc s'appliquer aussi aux systèmes multiples d'exoplanètes. Un récent article déposé sur arxiv par une équipe d'astronomes européens, dont des chercheurs du laboratoire d'Astrophysique de Marseille (CNRS, université d'Aix-Marseille), montre que l'influence des perturbations gravitationnelles entre exoplanètes est en train d'être prise en compte.

Perturbations gravitationnelles et variations de temps de transit

Il y a deux méthodes principales pour découvrir des exoplanètes : celle des vitesses radiales et celle du transit planétaire. Chacune a ses avantages et ses inconvénients. Les transits sont rares, mais ils permettent de détecter plus facilement des exoplanètes de taille terrestre. La méthode des vitesses radiales permet d'estimer la masse d'une exoplanète, et même de la déterminer si elle effectue un transit. Il se trouve que dans les deux cas, des anomalies dans la courbe de vitesse radiale ou dans la périodicité de temps de transit peuvent servir à déterminer la présence d'autres exoplanètes à partir de mesures qui n'en concernent qu'une. On a ainsi développé la méthode des variations de temps de transit, ou TTV (transit timing variations en anglais). La technique des TTV ne nécessite que l'observation des transits multiples d'une seule exoplanète, et elle est sensible à des planètes aussi petites que la Terre. Elle est simple à comprendre.

S'il n'existait qu'une seule exoplanète autour d'une étoile, elle aurait une orbite keplérienne fixe, c'est-à-dire une ellipse avec une période de transit constante. Mais si d'autres planètes massives ou proches existent, leur attraction gravitationnelle, en particulier lorsqu'elles sont à proximité, va ralentir ou accélérer le mouvement de la première exoplanète. On observera donc des variations du temps de transit. Il devient possible de découvrir d'autres exoplanètes même quand elles ne transitent jamais, mais aussi d'estimer leur masse.

Les astronomes ont joué à ce jeu depuis quelque temps avec les données de Kepler. Le cas le plus célèbre est celui du système multiple de Kepler-9. La méthode des perturbations a fourni des estimations de la masse des exoplanètes qui ont été confirmées par la méthode des vitesses radiales. Mais à chaque fois, on disposait de transits planétaires. Ce n'est pas le cas aujourd'hui avec l'exoplanète Kepler-88c.

Deux concepts d'engins spatiaux ont été étudiés au cours de la phase d'évaluation de la mission Plato, qui devrait succéder à Kepler : le concept de Thales Alenia Space (à gauche) et le concept d'Astrium. © ESA

Une méthode pour explorer les systèmes planétaires

Kepler-88b avait été détectée par ses transits autour de l'étoile de type solaire Kepler-88, située à environ 1.250 années-lumière du Système solaire dans le champ d'observation de Kepler. Avec une masse comparable à celle de Neptune, ses irrégularités orbitales sont telles qu'elles ont valu au système de Kepler-88 le surnom de « roi des variations de temps de transit ». La technique TTV impliquait l'existence d'une seconde exoplanète sans transit, Kepler-88c, et on pouvait en déduire la masse.

En utilisant le spectrographe Sophie, installé sur le télescope de 1,93 mètre de l'observatoire de Haute-Provence, les chercheurs viennent donc de réussir à mesurer directement, grâce à la méthode des vitesses radiales, la masse de la planète invisible Kepler-88c. Les masses obtenues par les deux méthodes sont concordantes. Jusqu'à présent, comme avec Kepler-9, on n'avait conduit de tels tests qu'avec des systèmes planétaires à multiples transits. Les scientifiques savent donc que la méthode TTV utilisée pour déterminer la masse de plus de 120 exoplanètes détectées par Kepler dans 47 systèmes planétaires est fiable.

Incontestablement, les travaux de Lagrange, Laplace et Gauss auront des conséquences jusqu'aux exosystèmes planétaires qu'ils vont nous permettre d'explorer et de mieux comprendre. Mais pour cela, il faudra que le successeur de Kepler soit mis en orbite. Il s'agit de la mission de l'ESA PLAnetary Transits and Oscillations of stars (Plato), dont le destin va être décidé début 2014.

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