L’ère des pionniers
En cet après-midi du 6 octobre 1995, un soleil radieux illumine les coupoles de l’observatoire de Haute-Provence (OHP). Une centaine d’astronomes venus du monde entier sont réunis à l’occasion d’un colloque sur les étoiles. Ambiance survoltée : la rumeur court que Michel Mayor, de l’observatoire de Genève [lire son interview], et son étudiant Didier Queloz vont faire une annonce tonitruante. À 15 h 30, rumeur confirmée : devant une salle comble, les deux Suisses révèlent qu’ils ont mis la main sur la toute première planète située en dehors du Système solaire. Celle-ci navigue à 51 années-lumière de la Terre, autour de l’étoile 51 de la constellation de Pégase. La nouvelle venue, baptisée 51 Peg b, ne ressemble à aucune de nos planètes. De la moitié de la masse de Jupiter, elle tourne très près de son étoile, en bouclant une révolution en seulement 4 jours ! Une vraie surprise…
Quelques années plus tôt, en 1989, l’Américain David Latham avait annoncé la découverte de HD114762 b, un corps de 11 fois la masse de Jupiter. « À l’époque, elle était présentée comme une naine brune, c’est-à-dire une étoile ratée », se souvient Alain Lecavelier (Institut d’astrophysique de Paris). Elle n’est donc pas restée dans l’histoire comme la première exoplanète... Pourtant, au fil des découvertes, la frontière entre naines brunes et planètes a beaucoup évolué. De sorte que si l’on découvrait ce corps aujourd’hui, on le rangerait à coup sûr dans la catégorie des planètes !
Un autre astrophysicien, polonais celui-là, pourrait également prétendre au titre de défricheur. En 1992, Alex Wolczan, alors affilié à l’université Penn State, découvre trois petites planètes dont la masse est comprise entre 1/100 et 4 fois la masse de la Terre. Elles ont le vilain défaut de tourner autour d’un pulsar (immatriculé PSR B1257+12) et non pas d’une étoile « normale », aussi personne n’y croit vraiment. Aujourd’hui pourtant, PSR B1257+12 b, c et d figurent bien dans le catalogue des exoplanètes.
« Il ne fait aucun doute que ces corps, tout comme d’ailleurs HD114762 b, sont des planètes. Mais il faut avouer que 51 Peg b, dont la masse n’est que la moitié de celle de Jupiter et qui tourne autour d’une “vraie” étoile, a marqué une rupture. Grâce à elle, nous nous sommes rendu compte que la traque allait être plus facile que nous le pensions », explique Alain Lecavelier. Jusqu’alors, les astrophysiciens s’attendaient à trouver d’abord des planètes géantes qui, sur le modèle de Jupiter et de Saturne, tournent en plusieurs années autour de leur étoile. Ils étaient donc persuadés que leur chasse aux exoplanètes n’aboutirait pas avant au moins une décennie, le temps qu’il faut pour suivre une planète sur plusieurs révolutions ! « 51 Peg b a réellement lancé l’exoplanétologie », conclut le chercheur.
Ausculter les atmosphères planétaires
Décembre 1999. Alors qu’un peu moins de trente planètes ont été découvertes, beaucoup d’astronomes doutent encore : les signaux périodiques que l’on détecte dans la mesure de la vitesse radiale des étoiles révèlent-ils réellement des planètes, ou sont-ils des artefacts dus à l’activité magnétique de l’astre, voire aux instruments ? Le Canadien David Charbonneau réalise une première qui permet de trancher : il repère une planète, HD209458 b, grâce à la légère baisse de luminosité qu’elle induit sur son étoile en passant devant elle. Grâce à cette nouvelle méthode des transits, les astrophysiciens ont désormais deux manières d’identifier des exoplanètes. Leur existence devient indiscutable.
Une nouvelle ère s’ouvre alors : celle de la caractérisation des planètes. De ces éclipses, les astronomes peuvent déduire le rayon de la planète. Couplé à sa masse, obtenue via la méthode des vitesses radiales, celui-ci permet de déterminer la densité, et donc de commencer à imaginer à quoi ressemble la structure interne de ces nouveaux mondes. Par ailleurs, pendant un transit, la lumière d’une étoile est filtrée par l’atmosphère de la planète qui passe devant elle... Ce filtre atmosphérique agit sur telle ou telle couleur en fonction des éléments chimiques qui le composent. Des variations dont on déduit la présence de toute une population de molécules : hydrogène et hélium bien entendu, mais aussi oxygène, azote, dioxyde de carbone, monoxyde de carbone… Ils espèrent désormais découvrir — qui sait ? — une signature de vie.
Les petites planètes et la révolution Kepler
« Ils vont découvrir 1000 planètes », titrait Ciel & Espace en mai 2003. Michel Mayor et Didier Queloz y dévoilaient leur arme secrète pour marquer une deuxième fois l’histoire des exoplanètes : Harps (pour High Accuracy Radial Velocity Planetary Search), un spectrographe haute résolution capable de détecter d’infimes vitesses radiales de l’ordre de 1 m/s, installé quelques mois plus tôt sur le télescope de 3,6 m de l’observatoire de La Silla, au Chili. « Harps permettra de détecter des exoplanètes de la masse de Neptune. Et, qui sait, des super-Terre si elles existent », écrivions-nous à l’époque.
La suite a montré qu’elles existent en effet ! Dès 2004, les deux Suisses découvrent la première d’entre elles : Mu Arae c, « seulement » 10 fois plus massive que la Terre. Viendra ensuite une foule de super-Terre du même genre, dont l’équivalent n’existe pas dans le Système solaire mais qui deviendront rapidement banales. En 2007, le satellite français observateur de transits Corot apporte tout de même du nouveau, avec la découverte d’une planète seulement deux fois plus grande que la Terre. Sa « pesée », deux ans plus tard, montre qu’il s’agit de la première planète rocheuse jamais découverte. Peu à peu, une réalité s’impose : non seulement les petites planètes existent dans la Galaxie, mais elles sont bien plus nombreuses que les grosses ! Nous sommes début des années 2010. Kepler vient tout juste de s’envoler.
« En exoplanétologie, il y a un avant et un après-Kepler », assure Alain Lecavelier. Basé sur la technique des transits, ce télescope spatial de la Nasa a surveillé des milliers d’étoiles dans un faisceau d’univers en direction de la constellation du Cygne. Kepler et sa mission étendue Kepler 2 ont, à eux seuls, permis de débusquer plus de 2500 exoplanètes. Ce n’est pas tout : dans ses archives de Kepler, il reste encore 5 000 planètes “candidates”, encore à confirmer. Or, depuis que l’engin est en service, environ 80 % de ses candidates ont été validées par la suite. Dans les prochaines années, encore 4 000 exoplanètes devraient donc venir enrichir le cheptel. Et c’est sans compter sur les successeurs de Kepler ou de Harps, bientôt prêts à prendre la relève.
À l’assaut des Terre de la Galaxie
Le bijou Harps a permis aux Suisses de multiplier les prouesses : détecter la première super-Terre en 2004, la première planète (supposée) habitable Gliese 581e (1,7 masse terrestre) en 2009, mais aussi de participer à la détection de la Terre chaude (1 masse terrestre) qui gravite autour de l’étoile la plus proche du Soleil : Proxima b. Son successeur promet plus remarquable encore. Fin 2017, Espresso a été installé sur le Very Large Telescope (Chili) et récolte la lumière combinée de ses quatre miroirs de 8,2 m. Avec une telle configuration, l’instrument doit pouvoir repérer d’infimes vitesses de déplacement d’étoiles, de l’ordre de 0,1 m/s — typiquement la vitesse qu’occasionne la Terre sur le Soleil, en tournant autour de lui.
Dans l’espace, Cheops, en 2019, puis Plato en 2024, deux missions européennes, prendront la relève. Contrairement à Corot et à Kepler qui sondaient des portions de galaxie au hasard, Cheops va pointer des planètes déjà identifiées par vitesse radiale. Ce, dans le but de caractériser avec précision les atmosphères d’autres Terre et super-Terre. Plato, lui, aura une meilleure sensibilité que Kepler et un champ 100 fois plus étendu. Il ciblera des étoiles plus proches, donc plus brillantes que celles visées par le satellite américain. En offrant un meilleur contraste avec les planètes, ces étoiles facilitent la détection autour d’elles de petits calibres. À la clé : des planètes de 1 à 3 masses terrestres situées dans la zone habitable d’étoiles comme le Soleil.
Les chasseurs d’exoplanètes ne visent plus uniquement les étoiles de type solaire. Pour multiplier leurs chances, ils misent de plus en plus sur les naines rouges. Car ces petites étoiles 10 à 1000 fois moins brillantes que le Soleil représentent 70 % de toutes les étoiles du voisinage solaire. Plus nombreuses, elles sont également plus pratiques pour les observateurs. Comme elles sont relativement froides, leur zone habitable est proche. Or, plus une planète est proche, plus l’effet qu’elle induit sur son étoile (mouvement d’avant en arrière, diminution d’éclat) est important, et plus vite elle se fait repérer. Il est donc plus facile de détecter des planètes habitables autour d’étoiles naines dites M qu’autour des soleils. En témoigne la découverte du système de l’étoile Trappist 1 qui, révélé par de modestes télescopes, comporte sept planètes avec des périodes orbitales de 1,5 à 15 jours et dont trois naviguent dans la zone habitable.
Comme ces étoiles naines émettent l’essentiel de leur rayonnement dans l’infrarouge, les ausculter nécessite des instruments sensibles à cette longueur d’onde. C’est le cas du spectrographe Spirou, installé en 2017 sur le télescope CFHT à Hawaï. C’est aussi le cas de Tess, de la Nasa, lancé en 2018. Ce « super-Kepler » surveillera 200 000 étoiles, dont des naines M avec pour objectif de débusquer 500 planètes d’un rayon inférieur à deux fois celui de la Terre.
