Vue d’artiste de l’exoplanète Kepler-1625b, une super-Jupiter, accompagnée d’une potentielle exolune gazeuse similaire à Neptune appelée Kepler-1625b-i. © Nasa/ESA/L. Hustak

Sciences

La première exolune découverte serait-elle une géante gazeuse comme Neptune ?

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Des astronomes viennent peut-être de découvrir la première exolune dans un système stellaire situé à 8.000 années-lumière d'ici. Mais ses caractéristiques sont déconcertantes. Ce serait une lune gazeuse de type Neptune en orbite autour d'une autre géante gazeuse : l'exoplanète Kepler-1625b, une super-Jupiter.

Imaginez Neptune orbitant autour de Jupiter. Ce n'est pas une remise en cause de l'héliocentrisme mais l'image d'un duo improbable formé par une exolune et une exoplanète, toutes deux géantes gazeuses, dans un système stellaire à 8.000 années-lumière de la Terre. Ce serait la première lune découverte hors du système solaire, mais on en attend encore la confirmation.

Alex Teachey et David Kipping, astronomes à l'université de Columbia, New York, ont flairé sa présence autour de Kepler-1625b, une planète de la taille de Jupiter mais plusieurs fois plus massive qu'elle, découverte en 2016. En analysant trois transits observés par le télescope spatial Kepler, les chercheurs ont remarqué de légères anomalies lors de son passage devant son étoile. Elles seraient dues à une exolune de très grande taille.

La méthode des transits est en effet utilisée pour découvrir d’autres planètes tandis qu'elles bloquent la lumière de leur étoile en passant devant elle. Elle fonctionne aussi, en principe, pour les exolunes, sauf qu'elles sont plus petites, donc plus difficiles à détecter. D'autre part, l'attraction gravitationnelle qu'une lune exerce sur une planète produit des effets sur le transit de cette dernière que l'on peut observer. Ce fut le cas ici, comme l'expliquent Alex Teachey et David Kipping dans un article paru dans Science Advances.

Hubble observe des anomalies dans le transit planétaire

Kepler 1625-b complète un tour autour de son étoile en un peu moins de 300 jours. Grâce aux données de Kepler, les astronomes avaient calculé que le prochain transit aurait lieu le 28 et 29 octobre 2017 et que la lune, si elle existe, devrait alors se trouver derrière la planète. Ils ont observé ce quatrième transit avec le télescope spatial Hubble, car il est nettement plus puissant que Kepler. On leur a octroyé 40 heures d'utilisation, suffisantes pour ne rien manquer du transit de Kepler-1625b d'une durée de 19 heures.

Les données renvoyées par Hubble ont laissé les astronomes pantois : la planète est passée devant son étoile 78 minutes plus tôt que prévu. Mieux encore, une seconde chute de luminosité, beaucoup plus faible, s'est produite environ 3 heures et demie après la fin du transit planétaire, indiquant qu'un autre corps céleste traînait bien derrière Kepler-1625b. « C'était assurément un moment choquant », se souvient David Kipping, cité dans un communiqué de la Nasa. Mais ce moment d'excitation a été coupé court, car malheureusement le transit de la potentielle exolune n'était pas terminé lorsque le temps d'observation qui leur était alloué s'est épuisé.

Ce manque de données oblige les astronomes à rester prudents. Ils admettent qu'une variation de transit peut s'expliquer par l'influence d'une autre planète, cependant quatre transits ne suffisent pas pour déterminer si une autre planète existe dans le système de Kepler-1625. En revanche, la baisse de luminosité supplémentaire qui a eu lieu peu après le passage de la planète devant l'étoile ne peut s'expliquer que par la présence d'une lune.

« Nous avons fait de notre mieux pour écarter d'autres possibilités [...], nous ne trouvons aucune autre hypothèse pouvant rendre compte de toutes les données que nous avons », déclare David Kipping dans des propos rapportés par Space.com« Une lune compagne [de la planète] est la plus simple et la plus naturelle explication pour la seconde diminution de luminosité et la variation du temps de transit », dit-il encore dans le communiqué de la Nasa.

Cette vidéo de la Nasa explique comment des indices trahissant l’existence d’une exoplanète autour de Kepler-1625b ont été découverts grâce aux télescopes Kepler et Hubble. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard, YouTube

Une extraordinaire lune gazeuse

Certes, une exolune permettrait d'expliquer les observations. Mais si elle existe, elle est vraiment bizarre. D'après les astronomes, elle devrait avoir la masse et le rayon d'une géante gazeuse bien de chez nous : Neptune. Elle ne ferait toutefois que 1,5 % de la masse de Kepler-1625-b, une super-Jupiter, ce qui se rapproche du couple Terre-Lune, où la Lune fait 1,2 % de la masse de notre planète. Cela encourage les chercheurs à parler de « lune » et non d'une seconde planète qui formerait un système binaire avec Kepler-1625b.

C'est étrange parce que des recherches précédentes stipulent que les lunes de grande taille sont rares autour des planètes géantes proches de leur étoile - Kepler-1625b est située à peu près à la même distance de son étoile que la Terre du Soleil. Dans de telles configurations, les lunes devraient être éjectées lors de la migration des géantes vers le système stellaire interne, qui se produit après leur formation. « Si confirmé, ce système planète-lune - une Jupiter avec une lune de la taille de Neptune - serait un système extraordinaire avec des caractéristiques inattendues, qui rappellerait de bien des façons la découverte des Jupiters chaudes à l'aube de la chasse aux exoplanètes », déclare David Kipping dans des propos rapportés par Space.com.

Les astronomes espèrent pouvoir observer à nouveau ce curieux système car davantage de données sont nécessaires pour prouver ou réfuter l'hypothèse de l'existence d'une exolune. En attendant, la chasse aux exolunes est ouverte. Elle ciblera des planètes de type Jupiter effectuant de grandes orbites et de longs transits pour favoriser les chances de détection. Comme toujours, les astronomes ont hâte de voir arriver dans la course le James Webb Space Telescope, cent fois plus puissant que Hubble. « Nous pouvons nous attendre à voir des lunes minuscules avec le Webb », signale Alex Teachey dans le communiqué de la Nasa.

  • Des astronomes ont remarqué deux anomalies lors du passage de l’exoplanète Kepler-1625b devant son étoile : le transit a eu lieu 78 minutes plus tôt que prévu et une baisse de luminosité additionnelle s’est produite après la fin du transit planétaire.
  • Ces anomalies trahiraient la présence d’une lune gazeuse de type Neptune. Cette exolune est encore hypothétique, mais elle serait la première jamais découverte si son existence était confirmée.
Pour en savoir plus

La première exolune a peut-être été découverte

Article de Laurent Sacco, publié le 25/12/2013

En juin 2011, un système binaire a été repéré par effet de microlentille gravitationnelle. Cette détection pourrait être la première observation d'une exolune, donc un satellite d'une exoplanète. Sa masse serait inférieure à celle de la Terre. Malheureusement, une nouvelle observation d'un transit est impossible et, de plus, ce système pourrait tout aussi bien être constitué d'une étoile peu brillante et d'une exoplanète. L'événement montre cependant que nous sommes au seuil de la découverte d'exolunes dans les données archivées de Kepler.

Une équipe internationale d'astronomes a récemment déposé sur arxiv un article qui doit galvaniser les chasseurs d'exolunes et en particulier David Kipping, en charge des recherches effectuées sur ce sujet parmi les données de Kepler. Bien évidemment, personne ne peut rester indifférent à l'idée que la Pandora d'Avatar est plus qu'une belle idée de science-fiction. Tout a commencé avec un programme d'observation mené avec le télescope de 1,8 m du Mt John en Nouvelle-Zélande. La collaboration Microlensing Observations in Astrophysics (Moa) s'en sert pour détecter des effets de microlentilles gravitationnelles. Le but principal est la détection d'exoplanètes.

Une vue d'artiste d'une exolune habitable orbitant autour d'une exoplanète géante. Celle qui a peut-être été détectée par les astronomes ne serait en revanche pas éclairée par la lumière d'un soleil. Elle orbiterait autour d'une exoplanète nomade. © Nasa

Comment une telle découverte est-elle possible ? Lorsqu'un corps céleste passe devant une source de lumière, son champ gravitationnel courbe les rayons qui en sont issus, à la façon d'une lentille. On savait déjà que la gravitation pouvait dévier des rayons lumineux comme les observations d'Eddington l'avaient montré en 1919, lors de la célèbre éclipse qui servit de test à la relativité générale. Mais il avait fallu plus de quinze années avant que le Tchèque Rudi Mandl n'en déduise la conséquence naturelle de cette observation et suggère à Albert Einstein qu'il puisse exister dans l'espace de véritables lentilles gravitationnelles. Ce dernier publia donc une petite note en 1936 (on sait maintenant que le physicien russe Orest Khvolson avait déjà publié la même idée en 1924) avec des calculs simples, en concluant : « Bien sûr, il n'y a aucun espoir d'observer directement ce phénomène ».

Une méthode pour chasser exoplanète et exolunes

En plus d'avoir oublier qu'il avait en fait devancé Mandl en 1912 dans l'un de ses carnets de notes, Einstein avait été trop pessimiste. Depuis des dizaines d'années, ce phénomène est employé par les astronomes pour percer les mystères de la matière noire, analyser le rayonnement fossile et même détecter des corps célestes ordinairement invisibles.

Les schémas expliquant la découverte d'exoplanètes à l'aide de l'effet de microlentille gravitationnelle (gravitational microlensing en anglais). Des compléments d'explications sont dans le texte ci-dessous. © Nasa, Esa, and A. Feild (STScI)

En effet, lorsqu'un corps céleste massif, comme un trou noir, une naine brune ou tout simplement une étoile peu brillante effectue un transit sur la voûte céleste devant une étoile plus brillante, le champ de gravitation du corps céleste se comporte donc comme si on interposait une lentille entre l'étoile brillante et nous. Comme on le voit sur le premier schéma à gauche ci-dessus, la courbe de lumière de l'étoile brillante montre une brusque augmentation temporaire de la luminosité apparente sur quelques dizaines de jours.

Si une exoplanète tourne autour de l'étoile la moins brillante, on observera un second pic de luminosité durant quelques heures, surimposé sur le premier, comme l'expose le deuxième schéma en partant de la gauche. Ici, le schéma de droite montre une courbe de luminosité durant 30 jours, pour une naine rouge passant devant une étoile jaune, avec une exoplanète en transit conduisant à un pic secondaire de luminosité durant huit heures.

Un système binaire énigmatique

C'est donc en mettant en œuvre cette méthode de détection que les membres de Moa ont fait la découverte d'un événement insolite dans la constellation du Sagittaire, en direction du bulbe galactique de la Voie lactée. Baptisé MOA-2011-BLG-262, il laisse les chercheurs perplexes parce qu'ils ne savent pas exactement à quelle distance se trouvent les corps célestes impliqués. Si le phénomène s'est produit à grande distance du Soleil alors il devait s'agir d'un système binaire formé d'une étoile peu lumineuse, éventuellement même une naine brune, autour de laquelle tourne une exoplanète d'une masse comparable à celle de Neptune.

Mais si les deux objets sont moins éloignés, on aurait découvert une exolune dont la masse est de l'ordre de la moitié de celle de la Terre en orbite autour d'une exoplanète nomade (donc inintéressante pour les exobiologistes) environ trois fois plus massive que Jupiter. Ce serait une première.

Les astronomes sont prudents. Si la dernière hypothèse est celle qui s'accorde le mieux avec les observations, elle est aussi la moins probable selon eux. Il n'en reste pas moins que la preuve est faite que la découverte d'exolunes est bien à notre portée. L'astronome David Kipping rappelle d'ailleurs que parmi les plus de 3.500 candidats au titre d'exoplanètes que Kepler a trouvés, et qui attendent encore une confirmation par la méthode des vitesses radiales, environ 300 ont des caractéristiques orbitales qui les rendent susceptibles d'avoir des exolunes et au moins 150 en auraient bien. La méthode des variations de temps de transit, ou TTV, peut être utilisée pour établir l'existence de ces exolunes.

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