Exoplanète HD95086b et son étoile Source ESO

L’ exoplanète HD95086b commence à livrer ses secrets

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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Patrick Seyer

Auteur

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