Exoplanète

L'Humanité a commencé à envisager l'existence d'exoplanètes au XVI^ème siècle ; les premières découvertes confirmées datent de la fin du XX^ème. Les méthodes de détection se sont depuis diversifiées et affinées grâce aux progrès de la technologie. En revanche, la science a encore beaucoup à faire pour atteindre, dépasser ou contourner la vitesse de la lumière, condition sine qua non pour coloniser d'hypothétiques Terres 2.0.

Définitions

L'Union Astronomique Internationale (UAI) a proposé en 2003 de définir les exoplanètes de la façon suivante :

Selon la dernière définition en date (août 2006) de l'UAI, une « planète » est un corps céleste qui :

Les planètes naines telles Pluton ne remplissent pas cette dernière condition.

Autres définitions

• Pulsars : étoiles à neutrons (étoiles massives mortes en supernova), très denses (1 cm3 = 100 millions à 1 milliard de tonnes), en rotation rapide, qui émettent des ondes radio à un rythme rapide et régulier, telles des phares cosmiques
• Naines brunes : étoiles avortées, trop petites pour que des réactions nucléaires puissent se maintenir dans leur coeur. Masses comprises entre 10 et 80 fois celle de Jupiter, ou 0,01 et 0,08 celle du Soleil

Il existe différents types de planètes, y compris au sein même de notre système solaire :

• Planètes géantes : planètes massives et volumineuses, mais peu denses. Elles se subdivisent en planètes géantes gazeuses, principalement composées d'éléments chimiques légers comme l'hydrogène et l'hélium (dans le système solaire : Jupiter et Saturne - 90% de gaz) ; et planètes géantes de glaces, composées d'éléments de masse intermédiaire tels le carbone, l'azote, l'oxygène, le méthane, l'ammoniac... (Uranus et Neptune - 20% de gaz).
• Planètes telluriques : composées essentiellement de roches et de métal, avec une surface solide et une densité importante. Exemples : Mercure, Vénus, Terre et Mars ; Io, satellite de Jupiter.

Il convient de s'attarder sur certains termes « faux amis », pourtant largement utilisés par les médias ou dans la vulgarisation scientifique lorsqu'ils abordent la question des exoplanètes :

• Superterre : terme trompeur car on peut le comprendre comme « planète encore plus habitable par les êtres humains que la Terre », alors qu'en fait il signifie « planète ayant une masse comprise entre celle de la Terre et celle d'une planète géante » (c'est-à-dire un corps ayant entre une et dix fois la masse de la Terre).
• Planète habitable : terme vague car il faudrait systématiquement préciser par quel type d'organisme la planète serait habitable. A l'heure actuelle, nous ne pouvons que comparer et extrapoler les conditions nécessaires à la vie sur Terre, mais il pourrait exister des formes de vie qui requièrent des conditions différentes (par exemple basées sur le silicium, l'ammoniaque...).
  Pour des précisions supplémentaires axées sur la biochimie, voir les articles Vie extraterrestre et Xénobiologie.
• Planète colonisable : impossible actuellement et vraisemblablement encore à long terme. Le système stellaire le plus proche, Proxima Centauri, est à 4,244 années-lumière de notre étoile, le Soleil. Avec la capacité de voyager à la vitesse de la lumière dans le vide (environ 300 000 km/s, soit plus d'un milliard de km/h), le voyage durerait plus de 4 ans. Si on considère les vitesses actuellement réalisables, il faudrait 18 000 ans pour y arriver avec la sonde Hélios 2, qui a atteint en 1976 la vitesse record de 252 292 km/h grâce à l'effet de fronde gravitationnelle du Soleil... Et ce calcul de 18 000 ans ne tient pas compte de détails importants tels que la taille nécessaire pour un vaisseau habité, le mode de propulsion, les astres susceptibles de fournir des effets de fronde, le ralentissement lors de la sortie du système solaire, etc.

Enfin, notons que les nombreuses « visions d'artistes » présentant des paysages d'exoplanètes ne sont pas des photographies, mais des oeuvres d'imagination créées d'après les renseignements fournis par les astronomes.

Histoire de la découverte des exoplanètes

Les humains ont commencé à imaginer l'existence de planètes tournant autour d'étoiles autres que le Soleil à partir du XVI^ème siècle, avec le développement de la théorie héliocentrique. Auparavant, on pensait que tous les astres tournaient autour de la Terre (géocentrisme). La recherche d'exoplanètes a débuté au cours du XIX^ème siècle.

Si l'on excepte les planètes de pulsar (étoile morte) PSR B1257 12 b, c et d (constellation de la Vierge ; découvertes en 1992 et 1994) et l'objet astronomique HD 114762 Ab (constellation de la Chevelure de Bérénice ; découvert en 1989) dont la nature n'est pas encore confirmée (planète ou naine brune, voire rouge), la première exoplanète confirmée est 51 Pegasi b, dans la constellation de Pégase, à 50,9 années-lumière de la Terre.

Localisation de 51 Pegasi b dans la constellation de Pégase
(Source : Torsten Bronger)

51 Pegasi b a été découverte en 1995 par Michel Mayor et Didier Queloz, de l'Observatoire de Genève, avec le télescope de l'Observatoire de Haute-Provence, ce qui leur a valu le prix Nobel de physique en 2019. Il s'agit d'une planète gazeuse en orbite très serrée autour de son étoile - 1/20ème de la distance Terre / Soleil. Son 'année' (période de révolution) est de 4 jours terrestres.

Depuis 1995, on a découvert de nombreuses autres exoplanètes - actuellement plus de 5000.

Moyens de détection

Les exoplanètes étant petites, lointaines, sans luminosité propre, et souvent noyées dans l'éclat de leur étoile, elles sont difficilement repérables et observables directement.
Voici les méthodes principales de détection :

• Méthode des vitesses radiales : la méthode la plus ancienne, et la plus courante jusqu'en 2012. Elle utilise l'effet Doppler pour mesurer la vitesse d'un objet céleste en trois dimensions, c'est-à-dire en ajoutant la vitesse 'en profondeur' (dans l'axe de la ligne de visée : vitesse radiale) à la vitesse en abscisse / ordonnée (vitesse tangentielle). Un petit corps (planète) en orbite autour d'un corps plus massif (étoile) cause des variations de vitesse périodiques du plus grand, sous forme d'un léger mouvement de recul par rapport à l'observateur. Une fois ce mouvement détecté et analysé, la spectrovélocimétrie utilise l'effet Doppler pour calculer la masse de la planète. Les instruments utilisés pour cette méthode sont de plus en plus performants : on en est actuellement à une précision de mesure d'environ un mètre par seconde.

Illustration de la façon dont une exoplanète déforme la trajectoire du corps céleste plus grand autour duquel elle orbite : les deux corps gravitent autour d'un barycentre commun.

• Méthode du transit : quand l'inclinaison de son orbite s'y prête, une exoplanète passe devant son étoile par rapport à un observateur sur Terre (transit planétaire), ce qui fait baisser légèrement la luminosité de celle-ci. En observant régulièrement un grand nombre d'étoiles pendant des années, il est possible de déduire la présence d'exoplanètes par cette méthode. Elle peut permettre également de connaître le diamètre de la planète, sa densité, sa période de révolution et le demi-grand axe de son orbite.
  La méthode de détection par transit exige une grande précision : par exemple, une planète de la taille de Jupiter passant devant une étoile de type solaire produirait une diminution de la luminosité de 1,1%.
  A partir de cette méthode, on peut aussi déduire la présence d'autres exoplanètes dans le système, par la détection de variations dans la durée et la périodicité des transits.

Illustration de variation de luminosité d'une étoile dans le champ de vision d'un observateur, en raison du passage d'une exoplanète devant l'étoile

• L'astrométrie : si on détermine avec une grande précision la position absolue d'une étoile dans le ciel, et si cette étoile décrit une ellipse régulière, ce mouvement est certainement dû à la présence d'une exoplanète. Le système planétaire est alors observable 'par le dessus', et non 'par la tranche' comme dans le cas de la méthode des vitesses radiales.
• Les microlentilles gravitationnelles : lorsqu'un objet massif B se trouve aligné entre un observateur A et un objet massif lointain C, la présence de B déforme l'espace-temps et courbe les rayons provenant de C à A, en produisant des 'reflets' de C déformés (taille, forme, luminosité modifiées). Ces modifications peuvent être repérées et étudiées, et conduire à la détection d'exoplanètes.
  Cette méthode a été proposée en 1991 par l'astronome polonais Bohdan Paczyński. Les premières découvertes ont eu lieu en 2002, mais en raison de la piètre qualité des observations, elles n'ont pas été confirmées.
  A ce jour, quelques dizaines d'exoplanètes ont été détectées par cette méthode.

D'autres méthodes de détection plus récentes sont en cours de développement grâce aux progrès technologiques qui aboutissent à des instruments de détection de plus en plus performants :

• imagerie directe à haute résolution et à haut contraste
• coronographes stellaires (occultation de la lumière des étoiles pour 'voir' leurs planètes)
• télescopes spécialisés terrestres et spatiaux (Képler, TRAPPIST, CoRoT) ...

Image composite en infra-rouge du système Beta Pictoris avec coronographe ; la présence d'une planète y a été confirmée en 2008
(Source : European Southern Observatory)

Voici un graphique montrant les proportions de découvertes d'exoplanètes par année et par méthode de détection, mis à jour en mars 2020 :

(Source : Betseg)

• Rouge : vitesses radiales
• Vert : transit
• Violet : synchronicité (variations transit)
• Bleu : imagerie directe
• Orange : microlentilles gravitationnelles

On constate que la méthode du transit a dépassé celle des vitesses radiales à partir de 2012.

Découvertes remarquables

Voici une sélection d'exoplanètes remarquables par leurs caractéristiques ou leur méthode de découverte :

• Etoile CVSO 30 : étoile jeune (2,5 millions d'années) à 1200 années-lumière (AL), dans la constellation d'Orion, près du Baudrier. On y a découvert deux planètes géantes gazeuses (encore en cours de confirmation), l'une très proche de l'étoile, l'autre très éloignée : CVSO 30 b (2012, méthode des transits) orbite en 10,76 heures à 0,008 Unités Astronomiques (UA), soit 8 millièmes de la distance Terre-Soleil. CVSO 30 c (2016, imagerie directe) orbite à 660 UA en 27 000 ans (pour comparaison, Neptune, la huitième et dernière planète du système solaire, orbite en 165 ans à environ 30 UA du Soleil). Cette remarquable différence d'orbites est peut-être due au fait que les deux planètes ont interagi et se sont 'chassées' l'une l'autre.

CVSO 30 c, photographiée directement par le Very Large Telescope de l'ESO au Chili. La planète est le petit point brunâtre à gauche de l'étoile

• Planète 2MASS J2126-8140 : l'orbite la plus grande (environ 5000 UA) et la période de révolution la plus longue (900 000 ans).
• Etoile Upsilon Andromedae : premières planètes découvertes dans un système binaire. Upsilon Andromedae A est une étoile jaune-blanc de type F ; sa compagne, Upsilon Andromedae B, une naine rouge, orbite autour d'elle à environ 750 UA. Au moins trois exoplanètes (découvertes en 1996 et 1999 par méthode des vitesses radiales) de tailles similaires ou bien supérieures à Jupiter orbitent autour d'Upsilon A ; une quatrième découverte en 2010, de même taille que Jupiter, reste à confirmer.
• Planète Képler 2-18 b : super-Terre (8 fois la masse de la Terre) qui orbite en 33 jours autour de l'étoile naine rouge K2-18 dans la constellation du Lion, à 124 années-lumière de la Terre. Selon deux études indépendantes publiées en 2019, K2-18 b est très probablement dotée d'une atmosphère d'hydrogène et d'hélium avec présence de vapeur d'eau (entre 20 et 50%).
• Système Trappist-1 : système planétaire d'au moins sept planètes rocheuses de taille et masse voisines de celle de la Terre, gravitant autour d'une étoile naine rouge très froide (type spectral M8, température environ 2500 K), dans la constellation du Verseau. Ces planètes, très proches de leur étoile (périodes de révolution comprises entre 1 et 18 jours) sont sans doute toutes en rotation synchrone (elles présentent toujours la même face à leur étoile, comme la Lune avec la Terre).
  En mars 2023 le télescope spatial James Webb a déterminé que la planète Trappist 1b, la plus proche de l'étoile, n'avait pas d'atmosphère et une température moyenne de surface d'environ 230°C (500K).

Comparaison entre le système solaire interne, le système TRAPPIST-1 (diamètre total inférieur à l'orbite de Mercure ; agrandi 25 fois) et le système jovien (Jupiter et ses principaux satellites)
(Source : NASA)

• Planète Proxima Centauri b : la plus proche de la Terre à 4,2 années-lumière (AL). C'est une planète tellurique en orbite très serrée autour de son étoile - à une distance de 0,05 UA, soit 5/100ème de la distance Terre-Soleil. Son 'année' dure environ 11,2 jours terrestres. Bien que située dans la zone habitable de son étoile, une naine rouge, Proxima b n'est probablement pas habitable par les humains, car sujette à des vents solaires 2000 fois plus puissants que sur Terre.
  Sa découverte par l'ESO (European Southern Observatory, qui gère plusieurs grands télescopes au Nord du Chili) a été annoncée en août 2016 et est toujours en étude.
  Il existe un projet de sonde interstellaire pour aller étudier de plus près le système stellaire de Proxima d'ici 2069 (centième anniversaire de la mission Apollo 11) : Mission Alpha Centauri 2069. Ce projet n'est cependant pas financé, et la technologie pour le réaliser n'existe pas.
• Planètes SWEEPS-11 et SWEEPS-04 : les plus éloignées de la Terre, à 27 710 années-lumière. Ce sont deux Jupiters chauds en orbite autour de l'étoile SWEEPS J175853.92−291120.6 dans la constellation du Sagittaire.

Ressemblance remarquable avec la Terre

Le choix est plus difficile qu'il n'y paraît, pour de multiples raisons. Pour commencer, qu'entend-on par « ressemblance avec la Terre » : s'agit-il de la taille de l'astre, de sa masse, de la présence d'eau... ou de l'habitabilité par une vie quelconque, voire par les humains ?

Une planète (et son habitabilité) s'identifie par plusieurs critères :

• la classe spectrale et nature de l'étoile : les principaux spectres stellaires vont de 0 (étoiles bleues ; les plus chaudes) à M (étoiles rouges ; les plus froides), en passant par B, A, F, G (Soleil : G2) et K (moyen mnémotechnique en français : Observez Bien Au Firmament : Grandiose Kaléïdoscope Multicolore !).

Diagramme de Hertzprung-Russell : classification des types d'étoiles selon classes spectrales / températures (en abscisse) et luminosité / magnitude absolue (en ordonnée)
(Source : Astrosurf.com)

Cette classification est affinée par des chiffres de 0 (plus chaud) à 9 (plus froid). On considère que seuls les spectres de F à mi-K, soit des températures de surface de 7000 à 4000 Kelvins, sont compatibles avec la présence de planètes habitables. Les étoiles de type O, B et A ne brûlent que de 10 millions à 1 milliard d'années, ce qui ne laisse guère le temps à la vie de se développer. Les classes K et M pourraient abriter la vie, mais la question est encore en étude.
D'autre part, l'étoile hôte ne doit pas être trop active ; il existe des étoiles variables dont les variations de luminosité sont trop fortes ; et les systèmes multiples (binaires ou plus) modifient encore le potentiel d'habitabilité.

• la distance planète / étoile : la zone habitable d'une étoile, scientifiquement définie comme la région où l'eau peut exister à l'état liquide à la surface d'une planète, varie selon sa température. Par exemple, une naine orange K aura une zone habitable plus proche que le Soleil.
• l'orbite et rotation de la planète : les deux doivent être stables. Une orbite excentrique provoque des variations de température trop amples. Une rotation synchrone réduit la zone habitable à l'étroite bande sur la limite jour/nuit ; la face cachée est glaciale, la face exposée est sèche et brûlante.
• les composantes physiques de la planète : par exemple, une vie pourrait peut-être exister autour d'une planète gazeuse, mais elle serait fondamentalement différente de ce qui existe sur la Terre.
• la masse : elle conditionne un grand nombre de critères d'habitabilité, notamment la gravité, la présence d'une atmosphère (Mars, plus petite que la Terre, a une atmosphère ténue), l'activité géologique (volcans, séïsmes et tectonique fournissent des éléments nécessaires au développement de la vie), le champ magnétique (protection contre les vents solaires)...

Au vu de cette liste, simplifiée et non exhaustive, et de la difficulté d'assembler des données complètes sur des exoplanètes très lointaines et le plus souvent observables de manière indirecte, il est difficile de déterminer quelle est la planète la plus similaire à la Terre. Aucune exoplanète ne partage avec la Terre plus de trois ou quatre des critères énumérés ci-dessus. Voici deux exemples :

• Kepler-452 b : découverte par le télescope spatial Képler, par la méthode des transits, en 2015. Elle est située à 1400 AL de la Terre, dans la constellation du Cygne. Encore en étude, à confirmer.
  Etoile de type G2V comme le Soleil, mais environ 20% plus chaude. L'étoile (6 milliards d'années) est plus vieille que le Soleil (4,6 milliards d'années).
  Distance planète / étoile : 1,04 UA - zone habitable.
  Orbite et rotation : période orbitale de 385 jours. Orbite circulaire. Pas de rotation synchrone.
  Composantes physiques : planète probablement rocheuse vu sa position et sa taille. Sa température moyenne de surface est d'environ 265 K, soit -8° C (Terre : -18° C).
  Képler-452 b est cinq fois plus massive que la Terre, avec un diamètre 1,5 fois supérieur et une gravité de 1,9 g.

Comparaison de tailles entre Képler 452-b et la Terre
(Source : Ardenau4)

• Teegarden's Star b : découverte en juin 2019 par la méthode des vitesses radiales, grâce au télescope de Calar Alto en Espagne. Elle se situe à 12,5 années-lumière, dans la constellation du Bélier. L'étoile a deux planètes, b et c.
  Etoile de type M, une naine rouge ultra-froide (2900 K), à la limite des naines brunes. L'étoile, inactive et calme, est plus vieille (8 milliards d'années) que le Soleil.
  Distance planète / étoile : 0,0252 UA, dans la zone habitable, équivalant à une position à mi-chemin entre Vénus et la Terre pour le système solaire.
  Orbite et rotation : période orbitale de 4,91 jours. Orbite quasi-circulaire.
  Composantes physiques : planète probablement rocheuse avec noyau métallique.
  Masse : environ 1,05 fois celle de la Terre ; rayon similaire. Probablement dotée d'une atmosphère et d'un océan d'eau (encore en étude). Température moyenne de surface estimée entre 0 et 50° C, sans doute autour de 28° C.

En résumé :

• Képler-452 b orbite une étoile très semblable au Soleil, son orbite diffère peu de celle de la Terre, et sa température moyenne de surface est proche. Mais vu sa taille et sa masse, ses habitants devraient être adaptés à une gravité deux fois supérieure à celle de la Terre. Teegarden's Star b a les caractéristiques inverses : la planète elle-même est très semblable à la Terre, mais son étoile et son orbite diffèrent radicalement. De plus, ses températures de surface risquent d'être élevées si les maximales sont bien supérieures à la moyenne de 28°C.
• il existe un classement des exoplanètes selon un indice de similarité avec la Terre (IST). Teegarden's Star b est la mieux notée, avec un IST de 0,93. Képler-452 b a un IST de 0,83. Les planètes du système Trappist-1, particulièrement e, f et g en zone habitable, sont également bien classées et intéressent les exobiologistes pour la concentration de planètes rocheuses autour de la même étoile et leur ressemblance avec la Terre (taille, masse, possible présence d'eau liquide) ; mais leur étoile est très froide, elles en sont proches et probablement toutes en rotation synchrone.

Nomenclature des exoplanètes

L'Union Astronomique Internationale (UAI) a annoncé en 2013 son intention de soumettre à un vote public mondial le nommage des exoplanètes confirmées, et de leurs étoiles quand ces dernières n'étaient pas déjà nommées, selon les critères suivants :

• maximum 16 caractères,
• un seul mot de préférence,
• prononçable et non offensant dans autant de langues que possible,
• différent des noms d'astres déjà officiels,
• pas de noms d'animaux de compagnie, pas de noms commerciaux,
• pas de noms de personnes, évènements ou lieux à connotation politique, militaire ou religieuse,
• pas de noms de personnes vivantes

La première session de cette procédure, NameExoWorlds, a eu lieu en 2015, et a concerné 260 systèmes planétaires contenant 305 exoplanètes découvertes avant le 31/12/2008. Les propositions de noms émanaient de divers pays : sociétés astronomiques nationales ou locales, associations ou clubs d'étudiants, planétariums... La plupart des noms donnés se référaient soit à l'Histoire ou aux légendes autour de noms d'étoiles existants, soit à la culture nationale des parrains :

• Pollux, constellation des Gémeaux : TheSkyNet, projet de recherche astronomique australien, a donné à sa planète le nom Thestias, patronyme de Léda, mère de Pollux - le nom Léda étant déjà attribué à un astéroïde et à un satellite de Jupiter ;
• le planétarium de Pampelune, Espagne, a baptisé l'étoile Mu Arae, constellation de l'Autel, Cervantes, et ses quatre planètes Quichotte, Dulcinée, Rossinante et Sancho.
• La Société Astronomique de Lucerne en Suisse a donné à 51 Pegasi b le nom de Dimidium, 'moitié' en latin (la masse de la planète est environ la moitié de celle de Jupiter) - la planète avait auparavant un nom non officiel : Bellérophon, dompteur de Pégase dans la mythologie grecque.

La deuxième session a eu lieu en 2019. Chacun des 113 pays participants s'est vu attribuer une étoile et sa planète à nommer ; l'opération a rassemblé 780 000 votes au niveau mondial. Quelques exemples de noms :

• Azerbaïdjan - l'étoile HD 152581 (constellation d'Ophiuchus) devient Mahsati, poètesse née à Ganja en Azerbaïdjan au XIème siècle, et sa planète Ganja (ancien nom de la capitale du pays, restauré à l'indépendance)
• Bangladesh : l'étoile HD 148427 (Ophiuchus) devient Timir ('obscurité' en bengali) et sa planète Tondra ('sieste' en bengali) - signifiant que l'étoile est loin dans les ténèbres de l'espace, et que sa planète était endormie jusqu'à ce qu'on la découvre
• Corée du Sud : l'étoile 8-Umi (Petite Ourse) devient Baekdu, nom de la plus haute montagne de la péninsule coréenne, située en Corée du Nord (il s'agit d'un volcan actif dont l'éruption de 946 a été particulièrement violente), et sa planète Halla, plus haute montagne de Corée du Sud, considérée par les Coréens comme sacrée
• France : l'étoile HD 8574 (Poissons) devient Bélénos, dieu de la lumière, du soleil et de la santé dans la mythologie gauloise, et sa planète Bélisama, déesse du feu, du foyer, de la métallurgie et de la verrerie
• Mongolie : l'étoile HAT-P-21 (Grande Ourse) devient Mazaalai, nom local de l'Ours de Gobi, en voie d'extinction, et sa planète Bambaruush, 'ourson' (progéniture des mazaalai)
• Nigéria : l'étoile HD 43197 (Grand Chien) devient Amadioha, dieu du tonnerre représentant aussi justice, paix, amour et unité, dans la mythologie Igbo, et sa planète Equiano, écrivain nigérian abolitioniste du XVIII^ème siècle
• Pays-Bas : l'étoile HAT-P-6 (Andromède) devient Sterrennacht (La Nuit Etoilée, tableau de Van Gogh) et sa planète Nachtwacht (La Ronde de Nuit, tableau de Rembrandt)

La Nuit Etoilée de Van Gogh

• Trinidad et Tobago : l'étoile HD 96063 (Lion) devient Dingolay, 'danser' en créole, et sa planète Ramajay, 'chanter et faire de la musique'
• Zambie : l'étoile HD 85390 (Voiles) devient Natasha, 'merci' dans de nombreuses langues locales, et sa planète Madalitso, 'bénédictions'

Nom alternatif : Planète extrasolaire

Traduction anglaise : exoplanet

Sources et liens complémentaires :

• Wikipedia.org [fr]

• Exoplanet.eu [en]

• Société d'Astronomie de Rennes [fr]

• Planetary Habitability Laboratory [en]

• Name Exoworlds [en]

Articles connexes :

• Vie extraterrestre
• Xénobiologie