L’ exoplanète HD95086b commence à livrer ses secrets

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Une équipe internationale, regroupant des astrophysiciens de l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble (Ipag)¹, a photographié et étudié un objet céleste situé à proximité d’une étoile très jeune, à quelque 300 années lumières de la terre. Avec une masse estimée à quatre ou cinq fois celle de Jupiter, il s’agit d’une des plus légère exoplanète décrite à ce jour.

 

 

HD95086b; Son étoile a été occulté pour réduire le halo stellaire.

HD95086b; Son étoile a été occulté pour réduire le halo stellaire.

Les exoplanètes : de la spéculation à la démonstration

 
 
L’hypothèse de l’existence de planètes hors du système solaire, qui nous paraît désormais si évidente, n’a pas toujours fait l’unanimité dans la communauté scientifique. A la fin du XX° siècle encore, certains astrophysiciens prétendaient même que notre système solaire pourrait être unique en son genre dans tout l’univers. Beaucoup d’autres jugeaient toutefois tout à fait plausible que, parmi les milliards d’étoiles présentes dans les milliards de galaxies (dont la nôtre) qui composent notre univers, il existe des systèmes étoiles/planètes ressemblant peu ou prou au nôtre.
 
Hélas, les preuves scientifiques manquaient cruellement. En 1992, une équipe avait détecté de probables planètes autour du reliquat d’une étoile : une étoile morte. Ce résultat avait été très controversé mais il est désormais avéré. Il faudra en fait attendre 1995 et les travaux de deux chercheurs suisses, Michel Mayor et Didier Queloz, pour que soit mise en évidence, à l’observatoire de Haute-Provence, de façon indirecte mais probante, la première planète extérieure à notre système solaire et gravitant autour d’une étoile bien “vivante” et semblable à notre Soleil. Il s’agissait de la planète géante gazeuse, dénommée 51Pegb, située à proximité de l’étoile 51 Pégase, dans la constellation du même nom.
 

Cette première planète n’a donc pas été observée directement. Son existence a été révélée par une méthode dite de variation de la vitesse radiale, fondée sur le déplacement cyclique de son spectre lumineux de l’étoile². Mais, comme le souligne Julien Rameau, doctorant à l’Institut de planétologie et d’astronomie de Grenoble (Ipag) qui a découvert la planète HD95086b, « il faut être prudent dans les interprétations. D’autres phénomènes, comme l’activité magnétique de l’étoile par exemple, peuvent être à l’origine des variations de spectre observées. Heureusement, les astrophysiciens disposent d’indicateurs qui leur permettent de déterminer l’origine physique des variations de la vitesse radiale. En clair, si elles sont dues à l’étoile elle-même ou à la présence d’objets extérieurs à celle-ci : à savoir des planètes ».

 

Exoplanète2M120-Vue d'artiste- Credit ESO-

Exoplanète2M120 – Vue d’artiste – © ESO

Sans rentrer dans les détails mathématiques et sous réserve de certaines conditions de mesure, cette variation de la vitesse radiale peut permettre une estimation de la masse de la planète.

 

D’autres méthodes : le transit, l’astrométrie ou encore les microlentilles gravitationnelles, permettent également de mettre indirectement en évidence l’existence de planètes autour d’étoiles et de déterminer certaines de leurs propriétés. Ces méthodes indirectes ont permis de détecter environ un millier d’exoplanètes à ce jour. Et ce nombre croît très rapidement.

 

 

L’observation directe de planètes extra-solaires

 
 
Les effets physiques analysés, en employant ces méthodes indirectes comme le transit ou les variations des vitesses radiales, ne sont exploitables, en termes de sensibilité, que si les planètes sont des objets très massifs, proches de leur étoile. On les qualifie alors de Jupiter chauds.
Ces techniques indirectes ne permettent donc d’étudier, pour l’instant, que les parties internes des systèmes planétaires. Au-delà d’une à deux fois la distance Soleil-Jupiter, la sensibilité est trop faible pour pouvoir mesurer un effet significatif de la planète supposée, sur son étoile.
 
Le téléescope VLT au Chili -Crédit ESO-

Le télescope VLT au Chili © ESO

Ces expériences et ces résultats expérimentaux sont absolument fascinants, et contribuent largement à notre compréhension de l’origine, de la structure et de la dynamique de notre Univers. C’est évidemment là une forte motivation pour entreprendre et poursuivre de telles recherches. Mais il faut bien reconnaître qu’il en existe une autre. Il semble en effet évident, et Julien Rameau ne nous contredit pas sur ce point, que l’engouement actuel de la communauté scientifique pour ces recherches de planètes extra-solaires réside en partie dans l’espoir de mettre enfin en évidence un système où la vie serait possible.
 
La lancinante question, probablement aussi vieille que l’humanité : « sommes-nous seuls dans l’univers ? » est, à n’en pas douter, bel et bien présente dans la tête des astrophysiciens impliqués dans ces domaines de recherche. Or ce n’est certainement pas sur des Jupiter chauds que l’on trouvera des conditions propices à la vie. Il devenait donc inéluctable d’orienter les recherches vers la mise en évidence d’exoplanètes ayant des caractéristiques physiques (température, atmosphère) se rapprochant de celles de la Terre. Dans cette optique (sans jeu de mots), l’imagerie directe est une approche expérimentale tout à fait intéressante.

 

Regarder directement une étoile pour “voir” si elle est entourée de planètes semble a priori relever du simple bon sens. Julien Rameau tempère à nouveau ce constat naïf : « L’imagerie directe est simple en théorie mais beaucoup plus difficile en pratique ». Le fait que près d’une dizaine d’années séparent la première mise en évidence indirecte de l’existence d’une exoplanète et les premières observations en imagerie directe scientifiquement avérées semble valider son affirmation.
 
 
Julien Rameau au VLT -Crédit IPAG-

Julien Rameau au VLT © Ipag

C’est en effet en 2004 qu’une équipe internationale incluant les chercheurs grenoblois, Gaël Chauvin et Anne-Marie Lagrange, a présenté la première image d’une exoplanète orbitant autour d’une étoile. Il ne s’agissait pas d’une étoile du type soleil, mais d’une étoile “avortée”, que les astrophysiciens appellent “naine brune” et dont la taille n’a pas permis d’enclencher les réactions nucléaires typiques de notre astre.
 
En 2008, une équipe française, regroupant six chercheurs du Laboratoire d’astrophysique de l’observatoire de Grenoble, dont Gaël Chauvin et Anne-Marie Lagrange, a détecté par imagerie directe une planète géante autour de l’étoile Beta Pictoris. La même année, une équipe québécoise, dirigée par Christian Marois, mettait en évidence, par imagerie directe trois exoplanètes présentes autour de l’étoile HR 8799.
 
 

De la difficulté d’observer les planètes

 
 
Depuis ces premières observations, une vingtaine de planètes situées hors de notre système solaire ont été observées directement. Pourquoi l’observation directe par imagerie qui paraît a priori simple – on regarde dans un télescope et le tour est joué ! – s’est-elle en fait avérée beaucoup plus difficile ?
 
Julien Rameau nous explique qu’il y a trois causes essentielles à cette difficulté :
 
• Les caractéristiques physiques des planètes observées.
• L’existence de parasites, sources d’artéfacts conduisant à des interprétations et/ou conclusions erronées.
• Et, relié au point précédent, les limites technologiques de la précision des appareils d’observation.
 
On ne peut évidemment pas changer les caractéristiques des planètes. Par exemple, à l’inverse d’une étoile, une planète émet en général peu de lumière, qu’elle provienne de la réflexion de celle de son étoile ou d’une émission thermique. Par contre, on peut contourner cette difficulté intrinsèque en décidant d’observer des étoiles autour desquelles on sait que l’on a le plus de chance de “voir” une planète. Or ces étoiles existent, et les astronomes savent les localiser : il s’agit d’étoiles jeunes.
 
« Dans ce cas, la planète compagnon sera elle aussi jeune, donc plus chaude. En effet une planète est chaude quand elle se forme et, par rayonnement, elle refroidit au cours du temps, comme un plat laissé dehors : par rayonnement. Et c’est ce rayonnement qui est détecté. Une planète jeune sera par conséquent plus lumineuse, et donc plus facilement observable », nous explique le jeune chercheur.
 
On estime ainsi que, lorsque la planète Jupiter était âgée de seulement 100 millions d’années, elle était 1000 fois plus brillante. Étant plus brillantes, les jeunes planètes sont plus facilement décelable dans le halo lumineux qui entoure les étoiles. C’est une condition essentielle pour bien observer une planète. Nous reviendrons plus loin sur ce point crucial du halo stellaire.
 
Trouver ces endroits favorables à l’observation d’exoplanètes est possible parce que les astronomes disposent d’outils théoriques leur permettant d’estimer l’âge d’une étoile : la composition en éléments chimiques comme la proportion de lithium, la vitesse de rotation, la luminosité, son appartenance à un groupe d’étoiles dont l’âge est connu, etc.. En choisissant l’endroit où l’on doit pointer le télescope, on minimise donc la première des trois difficultés mentionnées plus haut. Il en reste néanmoins d’autres à surmonter.
 

Tout d’abord, celle liée à la présence de turbulences dans l’atmosphère terrestre qui peuvent fausser les mesures, voir créer de véritables artefacts, des fausses planètes. Ensuite, une étoile peut être un milliard de fois plus lumineuse que sa planète. Dans ces conditions, on imagine facilement qu’il est impossible de discerner cette dernière noyée dans le halo stellaire.

 

Naine brune 2M1207 et son compagnon planétaire-Crédit ESO-

Naine brune 2M1207 et son compagnon planétaire © ESO

Enfin, une autre difficulté résulte directement des lois de l’optique. Plus on est loin de deux objets, une étoile et sa planète compagnon par exemple, plus il est difficile de les différencier. Avec le développement technologique, les astronomes disposent d’appareils de plus en plus performants – télescopes, spectrographes, coronographes, cameras et ordinateurs – qui permettent de réduire considérablement l’impact de ces problèmes sur la qualité, la précision et la fiabilité des images obtenues.
 
Pour aller encore plus loin dans la finesse des observations et dépasser les limites actuelles, il faut donc attendre l’arrivée de nouveaux instruments. Là, réside le troisième type de difficultés qui ne tient pas, lui, aux lois de la nature, mais à l’inventivité technologique humaine !

 

 

La planète HD95086b, une exoplanète des plus légères

 
 
Au cours d’une des nombreuses observations et analyses de données qu’il effectuait dans le cadre de sa thèse, Julien Rameau a eu l’œil attiré par un objet céleste situé à proximité de l’étoile HD95086, répertoriée et dont la masse était connue. Cet objet semblait présenter toutes les caractéristiques d’une planète. Des clichés successifs montraient notamment que l’objet en question se déplaçait de la même manière que l’étoile sur la voute céleste, confirmant qu’il était bien en orbite autour d’elle, et qu’il devait effectivement s’agir d’une planète.
 
Cet objet, en accord avec la nomenclature internationale, fut appelée HD95086b. Après avoir fait part de ses passionnantes observations à ses directeurs de thèse, Anne-Marie Lagrange et Gaël Chauvin, pionniers en la matière, et avec leur accord enthousiaste, le jeune chercheur décida de concentrer toute son énergie sur l’étude de cet objet.
 
Les images analysées provenaient de clichés réalisés au VLT (Very Large Telescope), le très grand télescope de l’ESO (Europeen Southern Observatory) situé au Chili. En utilisant un instrument d’optique adaptative très sophistiqué appelé NACO, installé sur l’un des quatre télescopes de 8,2 m de large, les astronomes ont pu s’affranchir de la quasi-totalité des parasites, notamment ceux induits par les turbulences atmosphériques. Ce “nettoyage” a permis d’obtenir des images d’une très grande résolution.
 
Monture du miroir de 8.2m d'un des 4 télescopes du VLT au Chili - Crédit ESO-

Monture du miroir de 8,2m d’un des quatre télescopes du VLT au Chili © ESO

En utilisant, en outre, une technique non moins sophistiquée d’imagerie différentielle en lumière infrarouge, ils ont pu augmenter très notablement la sensibilité au contraste entre la planète et son étoile hôte. Nous avons, en effet, vu plus haut qu’il était absolument indispensable de minimiser très significativement les turbulences et l’effet de halo lumineux dû à l’extrême brillance de l’étoile.
Ces points étant acquis, des observations et des mesures fiables ont pu être réalisées, conduisant à une meilleure connaissance de ce système. Ce sont ces résultats, publiés dans la revue The Astrophysical Journal Letters, où Julien Rameau est premier auteur, que nous allons maintenant détailler.
 
Le système Étoile/planète repéré par le chercheur est situé à environ 300 années-lumières³ de la terre.
Les premières analyses ont révélé que l’étoile HD 95086 est jeune. Son âge estimé est compris entre 10 à 17 millions d’années. Elle est légèrement plus massive que notre soleil et est entourée d’un disque de débris, rappelant la ceinture de kuiper⁴ présent dans notre système solaire. Ces caractéristiques permettent aux astronomes de considérer cette étoile comme une excellente candidate pour abriter de jeunes planètes massives.
 
Vue panoramique du VLT au Chili. © ESO

Vue panoramique du VLT au Chili. © ESO

La planète orbite à une distance correspondant à environ 56 fois la distance Terre-soleil, ou encore deux fois la distance Neptune-soleil. Avec une masse estimée à quatre ou cinq fois celle de Jupiter, la planète HD95086b appartient à la famille des exoplanètes les plus légères. Ce qui est déjà, en soi, un résultat scientifique tout à fait remarquable, dans un domaine où la compétition scientifique est féroce.
On peut estimer la température de la surface de cette planète à environ 700° Celsius. C’est une température où il est physiquement possible que de la vapeur d’eau et du méthane soient présents dans l’atmosphère.
 
 

De nouvelles questions…

 
 
Comme souvent en sciences, de nouvelles observations amènent à se poser de nouvelles questions. Ce système HD95086 et son compagnon n’échappent pas à cette règle. Ainsi, d’après les modèles standards établis, et étant donné la distance séparant l’étoile de la planète, on s’attendrait à une masse nettement plus élevée pour cette dernière.
 
Ce paradoxe amène donc les chercheurs à s’interroger sur les mécanismes qui régissent la formation de ces planètes et leur adéquation avec les modèles couramment admis. D’autre part, il semble que pour une planète ayant une température de surface de 700° C, son atmosphère soit anormalement riche en poussière. Nul doute que l’instrument d’optique adaptative de seconde génération, appelé SPHERE, qui sera bientôt adapté sur le VLT permettra de lever en partie les imprécisions et les questionnements actuels. Notamment ceux concernant la genèse de la planète.
 
Il reste dans ce domaine énormément de questions sans réponses, mais ce qui semble d’ores et déjà clair, c’est que notre bon vieux système solaire, celui que nous connaissons le mieux – et pour cause ! – n’est probablement pas le modèle universel. Bien des certitudes devront être réinterrogées. Mais n’est-ce pas là l’essence même de la science ?
Julien Rameau. Chercheur à l'IPAG -Crédit Julien Rameau-

Julien Rameau. Chercheur à l’Ipag © Julien Rameau

Cette science qui continue à nous faire rêver, comme, enfant, rêvait le petit Julien, lorsque sa facétieuse grand-mère lui montrait les trois levers successifs du soleil derrière les trois montagnes entourant sa maison.

 

 

Notons enfin que ce travail est le fruit d’une collaboration entre de nombreuses équipes et structures, françaises et internationales : L’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble, l’Observatoire de l’Université de Leiden en Hollande, l’Observatoire de Paris, Université Pierre et Marie Curie de Paris, L’institut d’astronomie de Zurich, le Département d’astronomie et d’astrophysique de Toronto, l’Institut Max Planck de Heidelberg en Allemagne et l’ESO à Santiago du Chili.
 
 
Patrick Seyer
 
 

 

1. L’Institut de planétologie de d’astrophysique de Grenoble (Ipag) occupe une place importante dans le monde de l’exoplanétologie. Sur la vingtaine d’exoplanètes imagées, c’est-à-dire observées directement, environ la moitié l’a été à Grenoble. D’autre part, l’Ipag est en pointe dans la détection d’exoplanètes par la méthode de “détermination des vitesses radiales”.
 
2. Vitesse radiale. Cette méthode met à profit le fait que, lorsqu’une planète est présente et orbite autour d’une étoile, elle modifie le mouvement de celle-ci, entraînant à son tour le déplacement cyclique de son spectre lumineux. Un phénomène que l’on mesure par effet Doppler, le même qui est employé dans les radars pour mesurer la vitesse d’un véhicule. En raisonnant de façon inverse, on peut dire que si l’on observe une variation de la vitesse radiale d’une étoile, on peut supposer qu’une planète gravite autour.
 
3. Année lumière. C’est une unité de mesure particulièrement bien adaptée aux distances (sidérales !) qui prévalent dans l’univers. Une année lumière équivaut à la distance parcourue par la lumière en une année. La lumière se déplaçant dans le vide à 300 000 km/seconde, on réalise le gigantisme des distances étudiées. Pour concrétiser un peu ces valeurs, la lumière, à la vitesse qui est la sienne, ferait 7,5 fois le tour de la terre en… une seconde !
 
4. La ceinture de Kuiper est une zone du Système solaire située de 30 à 55 unités astronomiques (une unité astronomique équivaut à la distance terre-soleil, soit 55 millions de km). Elle est principalement composée de petits corps, restes de la formation du Système solaire. Les objets de la ceinture de Kuiper sont majoritairement constitués de composés volatils gelés, comme le méthane, l’ammoniac ou l’eau.
 
 
Pour en savoir plus :
 
Confirmation of The Planet around HD95086 by Direct Imaging
Rameau, J.; Chauvin, G.; Lagrange, A.-M.; Meshkat, T.; Boccaletti, A.; Quanz, S. P.; Currie, T.; Mawet, D.; Girard, J. H.; Bonnefoy, M.; Kenworthy, M.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 779, Issue 2, article id. L26, 5 pp. (2013).
 
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