Les autres Jupiter manquent à l’appel !

L’observatoire du Very Large Telescope, au Cerro Paranal (Chili). © ESO
Encore une confirmation du caractère atypique de notre Système solaire. Les astronomes cherchent si d’autres étoiles possèdent une planète géante à la distance de Jupiter ou de Saturne. Et leurs premiers résultats sont bien en deçà des chiffres attendus. Or, nos deux géantes ont joué un rôle crucial dans l’apparition de la Terre…

Avec ses deux planètes géantes Jupiter et Saturne, tournant à distance de leur étoile en 12 et 30 ans, le Système solaire est manifestement une perle rare. C’est ce que montrent les premiers résultats obtenus par deux instruments capables de photographier les exoplanètes à très haute résolution : Sphere et GPI. Tous deux sont installés sur des télescopes géants de 8 m de diamètre : Sphere équipe le Very Large Telescope européen ; GPI, le Gemini Sud américain. Et l’un comme l’autre aurait dû découvrir des dizaines de planètes semblables à Jupiter et à Saturne, tournant loin de leur soleil. Mais depuis leur début de leur traque, ils n’en ont débusqué que le dixième de la quantité escomptée…

GPI et Sphere se sont lancés sur la piste des planètes géantes situées entre 5 et 15 unités astronomiques (UA) de leur étoile, c’est-à-dire entre 5 à 15 fois la distance Terre-Soleil. Pourquoi une telle configuration intéresse-t-elle particulièrement les astronomes ? Pour deux raisons. D’une part, une Jupiter trop proche de son étoile ne permet pas l’apparition de petites planètes comme la Terre. D’autre part, une théorie, le modèle de Nice, montre notamment le rôle fondamental joué par la migration de Jupiter et de Saturne vers leur position actuelle (5 et 9 UA du Soleil) dans l’évolution du Système solaire, et peut-être même l’apparition de la vie.

Voir une bougie au pied d’un phare

Photographier de telles planètes, séparées d’environ 1 seconde d’arc de leur étoile et noyées dans l’éclat de celle-ci, constitue un réel défi technique. Jusqu’à présent, seule une poignée l’a été, sur les milliers d’exoplanètes découvertes. Grâce à leur très haute résolution, Sphere et GPI en sont capables de cet exploit. Ils disposent également d’un coronographe, dispositif qui occulte l’étoile. Cette astuce est indispensable pour détecter, au voisinage de leur soleil, ces planètes aussi discrètes que la flamme d’une bougie à côté d’un phare.

L’intérêt de cette méthode tient au fait que les détections sont ici directes. Pour confirmer la détection d’une planète par spectroscopie (méthode des vitesses radiales), il faut attendre que l’astre ait bouclé au moins une orbite. Rappelons que Jupiter met 12 ans pour faire le tour du Soleil, et Saturne 30 ans ! Or, les recherches ont débuté en 1995 seulement. Certaines planètes n’ont donc toujours pas bouclé une orbite complète permettant de confirmer leur existence. Si bien que nous connaissons actuellement plus de 3000 exoplanètes dont seulement 20 situés entre 5 et 10 UA de leur étoile et ayant une masse comparable à celle de Jupiter (0,5 à 5 fois la masse de Jupiter).

Avec Sphere et GPI, il suffit de patienter quelques mois ou quelques années pour vérifier que l’astre détecté tourne bien autour de son étoile.

GPI a détecté une jeune Jupiter autour de l’étoile triple 51 Eridani (au centre, masquée).
L’animation montre le déplacement de la planète entre décembre 2014 et septembre 2015.
© GPI Exoplanet Survey/B. Macintosh et al.

« Avec GPI et le télescope Gemini Sud, nous nous sommes lancés dans l’étude de 600 étoiles afin de trouver autour d’elles des jeunes Jupiter, entre 0,25 et 1,4 seconde d’arc de leur étoile », explique Franck Marchis, du Seti Institute. D’après une estimation statistique, l’équipe s’attendait à en débusquer une cinquantaine. « Or, nous sommes aux deux tiers de notre campagne d’observation et nous avons seulement découvert neuf planètes. À la fin du programme, nous en aurons tout au plus une quinzaine », constate l’astronome.

La haute technologie de Sphere se cache dans ce boitier noir installé sur le 3e télescope du VLT, Melipal. © ESO

Même constat du côté du VLT. Sphere est en service depuis 2014 et doit viser 400 à 500 étoiles en quête d’exoplanètes. Initialement, les chercheurs européens sont restés prudents sur le nombre de découvertes attendues, mais en escomptaient tout de même quelques dizaines. « Nous en trouvons moins que ce que les modèles prédisaient, concède l’astrophysicien Jean-Luc Beuzit, responsable de l’instrument Sphere. Notre constat est globalement identique à celui de l’équipe du Gemini Sud. Nous avons découvert entre 5 et 10 candidats intéressants, mais pas encore confirmés. »

Jupiter et Saturne, des cas rares ?

« Ce déficit dans les observations nous ouvre plusieurs pistes de réflexion. Ces planètes sont probablement moins courantes que nous le pensions, commente Franck Marchis. Il est possible également que les étoiles que nous avons sélectionnées soient trop vieilles. Par ailleurs, le contraste de GPI tend à se dégrader, mais on a prévu d’améliorer ce point », ajoute l’astronome.

Cependant, la rareté des planètes géantes à des distances comparables à celles de Jupiter et de Saturne est d’ores et déjà prise comme un résultat établi. « Nous avons combiné nos données avec celles d’autres méthodes de détection (transits et vitesses radiales) pour établir une statistique des exoplanètes situées à une distance de 5 à 15 UA de leur étoile. Pour une étoile supérieure à 1,5 masse solaire, il y a entre 9 et 24 % de chance d’avoir des planètes géantes d’une masse comprise entre 4 et 13 fois celle de Jupiter », explique Franck Marchis.

« Mais dans le cas d’une étoile de 1 à 1,5 masse solaire, la probabilité tombe à 6 %. Ce résultat montre que l’on ne comprend pas très bien comment se forme un système planétaire comme le nôtre, ou bien que notre Système solaire avec plusieurs planètes géantes est plutôt atypique », note l’astronome.

Ces résultats ne surprennent pas Alessandro Morbidelli, de l’observatoire de Nice : « Dans les modèles, on a du mal à conserver des planètes géantes même à quelques unités astronomiques de leur étoile. » Ce théoricien est l’un des inventeurs du “modèle de Nice”, qui montre nos planètes géantes ont connu des épisodes de migration lors de la formation du Système solaire, avant de stabiliser à leur distance actuelle du Soleil.

Sans Saturne, nous ne serions pas là

« Si ces observations se confirment, elles montreront en effet que le Système solaire est exceptionnel. Cette particularité pourrait bien venir de l’interaction entre Jupiter et Saturne, car elle tend à inverser la migration des planètes dans le disque de gaz », souligne Alessandro Morbidelli.

Dans une publication de 2011 dans la revue Nature, son équipe a en effet démontré que Jupiter s’était approch jusqu’à 1,5 UA du Soleil, avant de s’éloigner à nouveau. La clé de ce mécanisme est Saturne. Elle aurait migré vers le Soleil plus vite que Jupiter, et c’est lorsque les deux orbites sont entrées en résonance que les deux planètes se seraient à nouveau mises à s’éloigner du Soleil.

La rareté du Système solaire tiendrait donc à cette configuration très particulière avec deux planètes géantes. Même si sa masse n’est que le tiers de celle de Jupiter, Saturne a une influence gravitationnelle non négligeable. Sans elle, nous ne serions pas là, car sans ce mécanisme d’éloignement des planètes géantes, les planètes telluriques comme la Terre n’auraient pas pu se former près du Soleil.

Des cousins dans la Grande Ourse ?

Voilà de quoi relancer des discussions sur la rareté de la vie dans l’Univers, ou du moins de planètes habitables comparables à la nôtre. Même si les résultats de Sphere et de GPI indiquent que les systèmes planétaires comme le nôtre sont rares, ils ne montrent pas que le Système solaire est unique, car nous n’avons scruté que quelques milliers d’étoiles, sur les centaines de milliards que compte la Galaxie.

On connaît d’ailleurs une étoile possédant plusieurs planètes géantes assez éloignées d’elle. Il s’agit de 47 de la Grande Ourse (ou 47 UMa), située à 46 années-lumière de nous. Âgée de 7 milliards d’années, elle a une masse et une température très proches de celles du Soleil, et possède trois planètes de 1 à 2 masses joviennes. La plus grosse se trouve à 2 UA. Mais les deux autres évoluent à 4 et 11 UA de 47 UMa, ce qui rappelle les 5 et 9,5 UA de Jupiter et de Saturne

Si vous sortez ce soir voir les étoiles, vous pouvez même chercher à localiser cette autre perle rare située sous la patte avant de la Grande Ourse. Avec une magnitude de 5, elle est visible sous un ciel de campagne.

Sous la coupole du télescope de 8 m Gemini Sud. © Gemini Observatory.

 

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