Système solaire : la quête de la neuvième planète cherche sa voie

© O. Hodasava/C&E
La trajectoire d’astres aux confins du Système solaire suggère la présence d’une planète au-delà de Neptune. Mais personne ne la trouve. Alors que certains chercheurs affinent leur technique pour la débusquer, d’autres explorent d’autres pistes, comme un mini-trou noir…

Depuis cinq ans, les astronomes traquent une neuvième planète au-delà de Neptune… En vain. Ils explorent de nouvelles stratégies pour la détecter, mais cherchent aussi d’autres explications. Par exemple, certains ont imaginé en 2019 qu’il s’agisse d’un mini trou noir. L’idée semble folle. Pourtant, elle est prise à ce point au sérieux qu’un étudiant de Harvard, Amir Siraj, vient de publier un article pour indiquer comment le trouver ! « Une neuvième planète reste néanmoins l’hypothèse la plus convaincante pour justifier le regroupement de plusieurs objets au-delà de l’orbite de Neptune », précise-t-il prudemment.

Une planète située 10 à 20 fois plus loin que Neptune

Cette planète supposée ferait environ 5 masses terrestres. Elle serait 300 à 650 fois plus éloignée du Soleil que nous (pour comparaison, Neptune est à 30 fois la distance Terre-Soleil). Elle bouclerait une révolution en quelque 10 000 ans. La débusquer est un des grands enjeux de l’astronomie actuelle. Ce serait la première découverte d’une nouvelle planète dans le Système solaire depuis Neptune en 1846.

L’indice de sa présence est la trajectoire des objets les plus lointains du Système solaire connus. Ils sont une petite dizaine et partagent des caractéristiques orbitales communes : une inclinaison de 30° et un passage au plus près du Soleil dans la même zone. Cette configuration a une chance infime d’être due au hasard. Un astre massif en serait la cause.

TESS, un petit observatoire spatial à la rescousse

Il peut être étonnant de ne pas l’avoir encore trouvée après cinq ans d’efforts. Plusieurs programmes la cherchent avec des télescopes de 4 à 8 m de diamètre. Mais la chose est très difficile, car les astronomes ne savent pas précisément où regarder. « Projetée sur le ciel, l’incertitude couvre une grande surface de la sphère céleste qui est en partie traversée par la Voie lactée. Un télescope avec un champ de vision relativement étroit comme le Subaru n’arrive pas à être exhaustif », indique Alessandro Morbidelli, astronome à l’observatoire de la Côte d’Azur.

Le satellite TESS est doté de quatre objectifs photo de 150 mm. © Nasa
Le satellite TESS est doté de quatre objectifs photo de 150 mm. © Nasa

Le satellite TESS, lui, bénéficie d’un champ large. Il est doté de quatre objectifs photo de 150 mm de focale ouverts à f/1,4. Mais c’est un petit instrument. Du coup, la stratégie est d’additionner des images en les décalant légèrement pour tester différentes trajectoires possibles de l’objet cherché. « Sans cette méthode, nous n’avons aucune chance de trouver la planète 9, et si nous y parvenons, elle sera incroyablement faible », estime Malena Rice, doctorante à l’université Yale et coauteure d’une publication sur la technique pour repérer la planète 9 avec Tess.

Selon cette étude, Tess atteint la magnitude 21 et permet des observations jusqu’à 150 fois la distance Terre-Soleil. « Pour le moment, la recherche s’est focalisée sur le plan galactique, où la densité d’étoiles rend la détection d’un point particulièrement difficile », indique Malena Rice. C’est insuffisant pour trouver la planète 9, car elle serait 15 à 40 fois moins lumineuse (magnitude 24 à 25). Mais l’équipe travaille déjà à gagner en sensibilité. « Nous espérons atteindre une magnitude de 22 dans les régions du ciel moins encombrées, ce qui permettrait d’atteindre les distances où la planète 9 est susceptible de se situer ».

Faute de planète, 17 objets potentiels situés au-delà de Neptune ont été enregistrés. Il reste à confirmer ces détections avec des télescopes au sol. « Si même un seul de ces candidats est bien un objet transneptunien, il peut nous aider à mieux comprendre la dynamique du Système solaire externe, et peut être les propriétés de la planète 9 », souligne Malena Rice.

« TESS observe à nouveau des zones couvertes dans la première partie de la mission. Nous aurons bientôt plus de données pour gagner encore en magnitude limite. Notre objectif est d’éliminer certaines possibilités pour contraindre davantage la région où la planète 9 pourrait se cacher. Mais si cette recherche échouait, son existence s’en trouverait affaiblie », note la chercheuse.

L’observatoire Vera Rubin très attendu

Si la planète 9 est située devant la Voie lactée, il y aura toujours le risque avec TESS qu’elle soit noyée dans l’éclat d’une étoile. Il faut ici un télescope à la fois doté d’une grande sensibilité, d’une bonne résolution et d’un champ large. C’est pourquoi la mise en service du LSST de l’observatoire Vera Rubin, au Chili, est très attendue. Son miroir de 8,4 m scannera l’ensemble de la voûte céleste chaque semaine. Il détectera des astres jusqu’à la magnitude 24,5, soit des objets 15 000 fois moins lumineux que Pluton !

Début septembre 2019, la coupole du LSST avait reçu ses premiers panneaux. © W. O’Mullane/LSST Project/NSF/Aura
La coupole du LSST en cours de construction, en septembre 2019. © W. O’Mullane/LSST Project/NSF/Aura

Le LSST devait débuter sa tâche en octobre 2022. Hélas, la pandémie est passée par là. « Elle a stoppé l’avancement du chantier et a ralenti l’assemblage de la caméra du télescope en Californie. Nous espérons que le programme scientifique pourra commencer en 2023 », estime Bob Blum, directeur des opérations de l’observatoire.

Même si la planète 9 est un trou noir, on saurait chercher

Amir Siraj. © Harvard University
Amir Siraj

Amir Siraj est lui aussi dans l’attente du LSST pour tester l’hypothèse d’un trou noir primordial. Celui-ci ferait la taille d’un pamplemousse pour une masse de 5 à 10 fois celle de la Terre. La recherche d’Amir Siraj est spéculative, car l’existence de ces mini trous noirs formés lors du big bang n’est pas certaine, et leur présence dans le Système solaire encore moins.

« Si la “planète 9” est un trou noir, celui-ci va attirer des comètes et les faire fondre lors de leur phase d’accrétion. Une fois qu’elles ont fondu, elles sont brisées par la gravité du trou noir avant d’être absorbées. Comme les trous noirs sont des astres extrêmement compacts, ce mécanisme libère beaucoup plus d’énergie qu’une simple collision avec une planète. » Le phénomène est donc très lumineux. « Si cette hypothèse est juste, la sensibilité du LSST permettra de capter quelques collisions par an », affirme Amir Siraj. Ce travail a été encadré par Avi Loeb, connu pour ses idées iconoclastes. En conséquence, il est considéré avec méfiance par ses pairs.

D’autres hypothèses plus plausibles ont été avancées comme la présence d’une ceinture d’astéroïdes sur l’orbite de la planète 9 plutôt qu’un seul objet. Cette idée a été formulée début 2019 par Jihad Touma, de l’université américaine de Beyrouth. « Mais une telle ceinture ne serait pas restée stable au cours de l’histoire du Système solaire », objecte Alessandro Morbidelli.

Et si la solution restait encore à trouver ?

Comme disent les Anglo-Saxons, il faut parfois savoir penser en dehors de la boîte. Au milieu du XIXe siècle, la théorie de la gravité de Newton permet à Urbain Le Verrier de découvrir Neptune par le calcul, à partir des perturbations de l’orbite d’Uranus. L’astronome a suivi une démarche similaire pour tenter d’expliquer l’anomalie dans la précession du périhélie de Mercure (c’est-à-dire le décalage dans le temps du point où Mercure passe au plus près du Soleil).

Sûr de son fait, Le Verrier avait baptisé Vulcain la planète qu’il supposait responsable de cette anomalie. Pour la petite histoire, ce nom est toujours réservé par l’UAI en cas de découverte d’un corps à l’intérieur de l’orbite de Mercure. On sait en tout cas que l’hypothèse de Le Verrier était une fausse piste. L’anomalie de Mercure sera expliquée un demi-siècle plus tard par Einstein et sa théorie de la relativité.

Il est tout à fait possible que nous soyons à nouveau en face d’un tel cas de figure pour comprendre les similitudes d’orbite de plusieurs objets transneptuniens. Rendez-vous dans deux ou trois ans pour avoir le verdict du LSST. À moins que d’ici là Tess ou un autre programme au sol ne crée la surprise.

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