Pourquoi la carte des exoplanètes ressemble à ça

Vidéo disponible à https://youtu.be/yarWar-8p8A

Voici une carte de toutes les exoplanètes découvertes à ce jour [1]. Cette région de l'espace
comprend des milliards d'étoiles, et pourtant, on n'a trouvé que quelques milliers d'exoplanètes.
Pourquoi si peu? Et pourquoi tant d'entre elles ont été découvertes à l'intérieur de ces deux zones
et pas ailleurs?

Transit

Une partie de la réponse réside dans les distances interstellaires. L'étoile la plus proche du
Soleil est à 4,2 années-lumière. Pour se faire une idée de cette échelle, si on réduisait le Soleil
à la taille d'une balle de tennis et qu'on ajustait les distances en conséquence, cette autre étoile
se trouverait à une distance 1 900 km, à peu près la distance entre Pékin et Hong Kong [2]. Ces
distances rendent l'observation des exoplanètes difficile, mais on peut s'appuyer sur des méthodes
indirectes pour les détecter, comme le transit.

Une planète qui passe devant son étoile bloque une partie de sa lumière, ce qui la rend
périodiquement moins brillante. Bien sûr, ça marche seulement si la planète orbite selon le bon
angle de notre perspective. C'est une question de probabilités : pour observer des transits, il faut
scruter le plus grand nombre d'étoiles possible [3]. Un autre inconvénient est que les exoplanètes
bloquent une très faible quantité de lumière, ce qui rend difficile de distinguer un transit réel
d'un scintillement habituel [4]. Malgré ses désavantages, la détection par transits était si
prometteuse que la NASA a décidé de lancer un télescope spatial dédié à cette fin : Kepler [5].

Le télescope devait observer une région d'étoiles précise pendant trois ans et demi à la recherche
de transits; la NASA devait juste déterminer la zone exacte à observer. Un choix logique serait le
centre de notre galaxie. La Voie lactée est une galaxie spirale barrée, ce qui signifie que la
densité d'étoiles est élevée près du bulbe central et plus faible en périphérie. La Terre est entre
les deux. En regardant vers le centre, on verrait beaucoup d'étoiles, mais le centre de la galaxie
se trouve malheureusement dans le plan de l'écliptique, c'est-à-dire la région dans laquelle les
planètes orbitent autour du Soleil. Kepler serait périodiquement aveuglé par le Soleil en observant
cette direction; la NASA a donc exclu toute région située à moins de 55 degrés de l'écliptique.
Kepler devait regarder ailleurs près du plan galactique pour obtenir une densité stellaire
suffisante, ce qui lui laisse deux régions. Celle-ci est observable de l'hémisphère Nord, où se
trouvaient les télescopes terrestres qui soutenaient la mission, ce qui faciliterait les
observations de suivi. Pour ces trois raisons, la NASA a choisi cette direction en particulier [6].

La mission Kepler, lancée en 2009, a découvert plus de 2 700 exoplanètes [7]. C'est pourquoi la
carte présente ce cône : ce sont les planètes découvertes dans la zone d'observation de Kepler. Bien
sûr, il y a en réalité beaucoup plus de planètes dans cette région, mais seulement quelques-unes ont
l'orientation adéquate pour que la détection de transits soit possible. Maintenant, qu'en est-il de
l'autre région?

Microlentilles gravitationelles

Il existe d’autres méthodes de détection d’exoplanètes, et la plus fascinante est sans doute la
microlentille gravitationnelle. La gravité courbe la trajectoire de la lumière, ce qui peut
magnifier des objets. Quand la Terre, un système stellaire et une étoile d'arrière-plan s'alignent,
la lumière de cette étoile est déviée d'une manière particulière. Les astronomes cherchent des
signes spécifiques pour détecter des exoplanètes. Ce phénomène fonctionne même pour les planètes de
faible masse et d'orbite large; c'est pourquoi la microlentille gravitationnelle n'est pas biaisée
en faveur des planètes orbitant près de leur étoile, contrairement à la détection par transits. Il
faut aussi garder en tête que tous ces objets sont constamment en mouvement dans l'espace et que,
quand ils ne sont plus alignés, l'effet de microlentille ne peut plus se reproduire [8]. Les
astronomes scrutent le ciel en permanence à la recherche d'alignements de microlentilles et
plusieurs centaines ont été découverts [9]. Le centre de la galaxie est un terrain particulièrement
propice à la détection de microlentilles grâce à la forte concentration d'étoiles d'arrière-plan, ce
qui explique la présence d'un autre cône sur la carte : la plupart de ces exoplanètes ont été
découvertes grâce à la microlentille gravitationnelle.

Par contre, ces deux méthodes fournissent peu d'informations sur les exoplanètes. La microlentille
gravitationnelle nous renseigne sur leur masse relative par rapport à leur étoile, mais par vraiment
plus [10]. La détection par transits nous renseigne sur le rayon de la planète, sa période orbitale
et même certaines données sur la composition de son atmosphère, s'il y en a une. Mais elle ne donne
pas la masse de la planète. En plus, elle ne fonctionne que pour une minorité de systèmes stellaires
[11]. C'est pourquoi les scientifiques combinent souvent plusieurs méthodes de détection pour
obtenir plus de données.

Autres méthodes de détection

La vitesse radiale consiste à mesurer le faible mouvement des étoiles. Les planètes ne restent pas
parfaitement immobiles : leur gravité les fait légèrement bouger. À cause de l'effet Doppler, quand
une étoile s'approche de nous, sa lumière paraît davantage bleue. Quand elle s'éloigne, elle paraît
davantage rouge. On peut mesurer ce léger décalage pour détecter les exoplanètes et, contrairement à
la détection par transits, les planètes n'ont pas besoin d'être parfaitement alignées. La vitesse
radiale permet aussi de mesurer la masse des planètes [12].

L'imagerie directe est une autre méthode qui fonctionne mieux avec les planètes ayant des orbites
larges. Ceci n'est pas une représentation artistique d'exoplanètes, mais d’une observation directe
[11]. On peut aussi se tromper avec l'imagerie : cette image [13] montre ce qui semblait être une
planète en orbite autour d’une étoile située à plus de 1 000 années-lumière de la Terre, mais des
recherches ultérieures ont montré que ce point est probablement une étoile d’arrière-plan [14]. Il
existe d’autres méthodes de détection, qui ont permis de découvrir des milliers d’exoplanètes, mais
elles restent très difficiles à étudier.

Prenons Alpha Centauri comme exemple, le système stellaire le plus proche de la Terre. Il est
composé de trois étoiles. Proxima Centauri, l'étoile la plus proche du Soleil, possède deux
exoplanètes, confirmées par la méthode des vitesses radiales. Les deux principales étoiles de ce
système, Rigil Kentaurus et Toliman, sont plus difficiles à étudier. Aucun transit n'a été confirmé;
par conséquent, s'il y a des planètes en orbite autour de ces étoiles, leur orientation n'est
probablement pas adaptée à cette méthode [15]. Elles sont également très difficiles à observer par
la méthode des vitesses radiales parce que c'est un système binaire : l'observation d'une étoile est
contaminée par la lumière de l'autre étoile [16] et leur forte luminosité rend l'imagerie directe
difficile [18]. De plus, il n'y a aucun objet suffisamment massif à utilise comme lentille
gravitationnelle pour les observer. Ou peut-être qu'il en existe un? Nous y reviendrons. Alpha
Centauri est le système stellaire le plus proche de nous, et on le connaît encore mal parce que ses
caractéristiques ne sont pas adaptées à nos méthodes d'observation. Des systèmes stellaires comme
TRAPPIST-1 sont beaucoup plus éloignés mais mieux orientés, ce qui permet de les étudier plus
efficacement [19].

Le moyen le plus évident d'en apprendre davantage sur les exoplanètes est de construire de meilleurs
télescopes. Kepler a arrêté de fonctionner il y a quelques années, mais TESS, une mission toujours
en cours, scrute l'ensemble du ciel à la recherche d'exoplanètes en transit. De futures missions se
concentreront sur l'étude du système stellaire Alpha Centauri [20], des exoplanètes telluriques [21]
ou auront des objectifs d'étude plus vastes [22] [23]. Une idée plus ambitieuse est de visiter les
exoplanètes. Breakthrough Starshot est un projet qui propose d'envoyer des sondes vers le système
Alpha Centauri à l'aide de voiles solaires. La destination est tellement éloignée que, si on veut
l'atteindre de notre vivant, les fusées ne suffiront pas. Une alternative consiste à projeter de la
lumière sur une voile solaire afin d' accélérer de petits satellites à 15 % de la vitesse de la
lumière pour atteindre Alpha Centauri en moins de 30 ans [24]. Vous l'imaginez bien, une mission
extrêmement coûteuse, s'étalant sur une décennie, est difficile à financer, et elle a d'ailleurs été
suspendue sine die en 2025 [26]. Voici une autre idée audacieuse : utiliser le Soleil comme lentille
gravitationnelle. Si on place un télescope à 542 unités astronomiques de celui-ci, le Soleil
focaliserait théoriquement la lumière sur le télescope et permettrait de photographier des
exoplanètes avec une résolution de 25 kilomètres, suffisante pour distinguer des continents et des
signes d'habitabilité [27]. Mais c'est une très grande distance et aucun projet sérieux n'est
actuellement en cours pour envoyer un tel télescope. Donc pour, on va dire, les 30 prochaines
années, on va probablement rester limités aux techniques d'observation dont on dispose aujourd'hui,
mais les scientifiques construiront bien sûr des télescopes plus performants et trouveront de
meilleures méthodes d'analyse des données, ce qui pourrait accélérer les découvertes.

Vie

La recherche de vie est un enjeu majeur avec les exoplanètes. La NASA a publié en 2015 un guide
d'astrobiologie qui identifie l'eau comme une condition nécessaire à la vie telle qu'on la
connaît [28, page 143]. D'autres formes de vie qui n'auraient pas besoin d'eau sont plausibles et on
va en parler, mais pour l'instant, concentrons-nous sur ce qu'on connaît.

La zone habitable est la région autour d'une étoile où les planètes reçoivent suffisamment d'énergie
pour que l'eau puisse exister à l'état liquide à leur surface. Orbiter dans cette zone n'est pas
suffisant; une atmosphère doit être présente pour créer une certaine pression, sinon l'eau gèlerait
ou bouillirait. Et les atmosphères, en l'absence de champ magnétique pour les protéger, ont tendance
à être érodées par le vent solaire. Sur Terre, le mouvement du fer en fusion dans le noyau externe
génère un champ magnétique par effet dynamo [28, page 152]. Mars possédait autrefois un effet
similaire, mais sa petite taille a entraîné la dissipation de sa chaleur interne et
l'affaiblissement de son effet dynamo. De plus, sa gravité étant faible, son atmosphère et son eau
se sont échappés [29]. C'est aussi possible qu'un excès d'eau soit nocif pour la vie. Les planètes
océaniques sont des planètes hypothétiques recouvertes d'eau. Si l'océan est trop profond, il
pourrait dissoudre des éléments essentiels à la vie, comme le phosphore, à des concentrations trop
faibles pour permettre son développement [30].

Les étoiles elles-mêmes influencent aussi l'habitabilité. La plupart des étoiles de notre galaxie
sont des naines rouges, de petites étoiles qui émettent beaucoup moins de lumière que notre Soleil
[31]. Leur zone habitable est donc très proche et les planètes dans cette zone ont tendance à être
en rotation synchrone, ce qui signifie qu'une de leurs faces est constamment exposée à l'étoile. Ce
phénomène pourrait nuire à la vie : sans cycle jour-nuit, les écarts de température deviendraient
extrêmes. Cependant, des océans et une atmosphère suffisamment denses pourraient redistribuer la
chaleur et rendre le climat habitable. La vie pourrait s'adapter à ces conditions, surtout près du
terminateur [32]. Une autre possibilité est qu'une exolune orbite autour d'une planète en rotation
synchrone. Aucune exolune n'a été détectée à ce jour, mais elles présenteraient un cycle jour-nuit
même si leur planète est en rotation synchrone. Elles subiraient probablement aussi un volcanisme
intense à cause de l'activité des marées, comme Io dans notre système solaire [33]. Mais le
volcanisme pourrait contribuer à un effet dynamo, protégeant ainsi l'exolune [33]. Des satellites
naturels comme Encelade et Europe sont fortement soupçonnés d'abriter des océans souterrains grâce à
des effets de marée modérés, et la vie pourrait y exister [34]. Les naines rouges présentent
d'autres problèmes : leur luminosité est très variable, avec des éruptions qui les rendent
extrêmement lumineuses pendant de courtes périodes [35]. Elles émettent aussi moins d'énergie dans
le spectre visible, ce qui complique la photosynthèse [36]. De l'autre côté, les planètes orbitant
autour d'étoiles plus massives que notre Soleil pourraient aussi abriter la vie, mais les grandes
étoiles émettent davantage de rayonnements ionisants, susceptibles de nuire aux êtres vivants, et
leur durée de vie est plus courte, ce qui laisse moins de temps pour le développement de la vie
[45].

Ce sont là quelques-unes des conditions fondamentales à la vie telle que nous la connaissons.
Certains scientifiques affirment que l'organisation spécifique de notre système solaire est
nécessaire à la vie. Jupiter aurait protégé la Terre des impacts de gros astéroïdes en déviant leurs
trajectoires, mais cette idée a été remise en question : Jupiter pourrait avoir provoqué plus
d'impacts d'astéroïdes qu'elle n'en a empêchés [37]. Un autre point controversé est le rôle de la
Lune, qui stabilise l'obliquité de la Terre. Sans la Lune, le climat aurait connu plus de variations
[38], mais celles-ci se seraient produites sur des millions d'années, laissant suffisamment de temps
à la vie pour développer des adaptations [39]. Une autre idée est que notre position dans la Voie
lactée a son importance. Trop près du centre, et l'activité galactique y est si intense qu'elle
pourrait perturber le système solaire et entraîner davantage d'impacts d'astéroïdes; il y a même une
hypothèse selon laquelle des extinctions massives se sont produites lorsque le système solaire
traversait des régions de la galaxie plus denses en étoiles, mais ça reste à prouver [40]. Les
systèmes stellaires trop éloignés du centre de la galaxie, quant à eux, pourraient être trop pauvres
en éléments lourds nécessaires à la vie, mais là encore, les preuves sont insuffisantes [41].

Plusieurs de ces hypothèses sont quelque peu anthropocentriques parce qu'elles définissent
l'habitabilité par sa similitude avec la Terre. C'est notre seul point de comparaison après tout,
mais la vie pourrait être plus diversifiée qu'on le pense. Une civilisation située à la périphérie
de la Voie lactée pourrait penser qu'il est impossible que la vie apparaisse si près du centre de la
galaxie. Une autre civilisation pourrait vivre sur un satellite naturel et penser qu'il est
impossible que la vie se développe sur une planète. D'ailleurs, la vie pourrait peut-être utiliser
d'autres biochimies : certaines Des scientifiques ont suggéré que la vie pourrait utiliser
l'ammoniac plutôt que l'eau [42]. Des formes de vie encore plus étranges pourraient exister. Je vais
partager une hypothèse très spéculative, mais c'est un exemple intéressant : des phénomènes
nucléaires semblables à la réplication de l'ADN pourraient évoluer à l'intérieur des étoiles et
ressembler à des processus biologiques [43]. Encore une fois, ce n'est qu'une hypothèse, et ça
serait assez difficile de la vérifier, mais la vie pourrait exister sous des formes totalement
différentes de ce qu'on connaît.

Le guide d'astrobiologie de la NASA n'est pas un manuel sur la façon de trouver la vie : il soulève
simplement des questions pour encourager la recherche [28, page 9]. Et la science a beaucoup
progressé : la NASA travaille à la publication d'un nouveau guide mis à jour pour tenir compte des
progrès réalisés depuis [44]. Mais la recherche reste difficile : on ne sait même pas ce qui est
réellement nécessaire à la vie et nos techniques d'observation sont limitées par les distances
colossales qui séparent les étoiles.

Références

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