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Planètes lointaines : une vie extra-terrestre possible ?

Planètes lointaines : une vie extra-terrestre possible ?

Depuis l’aube de l’humanité, l’homme cherche à comprendre le monde dans lequel il vit et à se situer par rapport à lui. L’idée que la Terre est une planète voguant dans l’espace a pris du temps à être acceptée, même si dans l’antiquité grecque certains philosophes l’avaient déjà compris, en opposition avec les idées établies. Archimède, dans son ouvrage l’Arénaire, environ 250 ans avant J.C., cite ainsi les idées du philosophe Aristarque de Samos1 : « D'après ce qui est dit par Aristarque de Samos, le monde serait beaucoup plus grand que nous venons de le dire; car il suppose (…) que la terre tourne autour du soleil comme centre…». Il a pourtant fallu plus de 18 siècles pour que cette évidence s’impose aux hommes, après bien des difficultés…

 

Le Soleil est une étoile et il possède un système planétaire. Il semblait donc évident, depuis longtemps, que d’autres étoiles du ciel pouvaient elles aussi avoir des planètes, mais elles paraissaient impossibles à observer, car les planètes ne brillent pas par elles-mêmes, elles reflètent la lumière de leur étoile et sont donc beaucoup moins lumineuses. Ici encore, au-delà de l’ordre établi, certains philosophes de l’antiquité avaient des intuitions géniales et prémonitoires. Epicure, environ 300 ans avant J.C., écrivait déjà dans sa lettre à Hérodote2 : « Ce n’est pas seulement le nombre des atomes, c’est celui des mondes qui est infini dans l’Univers. Il y a un nombre infini de mondes semblables au nôtre et un nombre infini de mondes différents… ». Quelques siècles plus tard, dans son ouvrage de natura rerum3 , Lucrèce osait écrire : « nulle part, en aucun sens, à droite ni à gauche, en haut ni en bas, l’univers n’a de limite (…) Le ciel et la terre, le soleil, la lune, la mer et tout ce qui vit, loin d’être uniques de leur sorte, existent au contraire en nombre infini… ». Beaucoup plus tard, en 1600, Giordano Bruno est mort sur le bûcher pour des idées semblables. 

Image : Calculs sur les tailles relatives (depuis la gauche) du Soleil, de la Terre et de la Lune.
Dessin d'Aristarque, IIIe siècle av. J.-C (copie grecque du Xe siècle ap J.-C.)
Domaine public Via Wikipedia

 

Nous vivons à présent une époque extraordinaire de l’histoire de l’humanité. Pour la première fois de toute son existence, des êtres vivant sur la planète Terre ont réussi à s’en échapper. Il est maintenant possible de « voir » notre planète, par caméra interposée, comme un petit point bleu perdu dans l’immensité céleste. Que de chemin parcouru depuis l’antiquité !

Depuis une vingtaine d’années, nous avons commencé à faire connaissance avec ces planètes lointaines, baptisées « exoplanètes » par l’Union Astronomique Internationale, pour les différencier des planètes du Système Solaire. Cette différence de noms n’a qu’une signification anthropocentrique, car les planètes de notre système solaire ne sont en fait qu’un exemple parmi les autres. Tous ces systèmes planétaires présents dans notre Galaxie se sont formés de la même manière, dans des disques de gaz et de poussière gravitant autour des étoiles en formation.

Notre système planétaire n’est donc pas unique. Un champ immense d’investigation s’ouvre à nous. S’il existe des milliards d’autres planètes dans l’espace, existe-t-il d’autres planètes semblables à la Terre ? Y a-t-il de la vie ailleurs ? Ceci relevait jusqu’à récemment du rêve et de la science-fiction. C’est devenu un sujet d’investigation scientifique concret et précis.

Image : Image de la Terre vue de la Lune. Photo prise le 24 décembre 1968 par Bill Anders. Crédits Photos domaine public NASA Bill Anders via Wikipedia

 

Découverte des exoplanètes

La première exoplanète découverte sans ambigüité autour d’une étoile semblable au Soleil, 51 Pegasi, fut officiellement annoncée dans la revue scientifique Nature le 6 octobre 1995 par Michel Mayor et Didier Queloz, de l'observatoire de Genève. Ils avaient effectué leurs observations grâce au spectrographe ELODIE installé sur le télescope de 1,93 mètre de l'Observatoire de Haute-Provence en France. La méthode utilisée est connue sous le nom de « méthode des vitesses radiales ». Il s’agit de détecter le léger mouvement périodique de l’étoile, provoqué par la rotation de la planète. En ce qui concerne 51 Pegasi, l’effet est important car la planète est une géante dont la masse est environ la moitié de celle de Jupiter, qui orbite 200 fois plus près de son étoile que la Terre autour du Soleil. La durée de sa rotation est seulement de quatre jours.

Image :  Exoplanète 51 PEGASI

 

 

 

 

 

 

L’existence d’autres planètes avait déjà été mise en évidence quelques années plus tôt, autour d’un pulsar, PSR B1257+12, par Alexander Wolszczan et ses collaborateurs. La méthode utilisée était spécifique aux pulsars. Ce sont des objets célestes très denses et magnétiques, qui nous envoient des impulsions lumineuses périodiques. Les planètes ont été détectées en raison de leur influence sur la période du pulsar. Cette détection fut confirmée en 1997. Les pulsars étant des étoiles en fin de vie, cette découverte était prémonitoire. A l’époque actuelle, où des milliers de planètes sont connues autour d’étoiles de type solaire, les recherches sur l’avenir des systèmes planétaires lorsque les étoiles terminent leur existence se multiplient… 

 

 

Image : Image composite visible/rayon X du pulsar du Crabe, né de la supernova historique SN 1054,
montrant le gaz environnant la nébuleuse agité par le champ magnétique et le rayonnement du pulsar.
Crédits Photos : domaine public (NASA) via Wikipedia.

 

Méthodes de détection des exoplanètes

Il est très difficile d’observer les exoplanètes directement, car le rayonnement qui nous en parvient est complètement enfoui dans celui de l’étoile qui les héberge, sauf dans des cas exceptionnels où l’exoplanète est à une très grande distance de l’étoile qui a elle-même une faible luminosité. Dans le cas le plus général, des méthodes ont été développées pour essayer de s’affranchir du rayonnement stellaire trop gênant. Parmi celles-ci, la coronographie consiste à cacher l’étoile centrale par un disque opaque, et à observer le rayonnement résiduel avec des techniques de très haute précision.  Actuellement, plusieurs projets spatiaux prévoient d’utiliser des techniques spéciales, spectro-polarimétrie, interférométrie, etc. pour pouvoir observer des exoplanètes par imagerie directe.

En attendant les observations directes, la plupart des exoplanètes détectées à ce jour ont été découvertes par des méthodes indirectes, utilisant l’influence des planètes sur leurs étoiles centrales. La méthode qui a fourni le plus de résultats est la méthode des vitesses radiales, déjà utilisée par Michel Mayor et Didier Queloz en 1995.

Méthode des vitesses radiales

Lorsqu’une grosse planète tourne d’une étoile, à une distance pas trop élevée, elle induit un mouvement périodique de l’étoile elle-même. Il s’agit en fait de deux objets qui tournent autour de leur centre de gravité mutuel. Si le plan de l’orbite de la planète est orienté dans la direction d’observation, ce mouvement représente une succession d’avancées et de reculs de l’étoile par rapport à sa position moyenne. Un tel mouvement est détectable grâce à l’effet Doppler-Fizeau. Lorsque l’étoile recule, le rayonnement que nous en recevons est légèrement décalé vers le rouge. Si elle se rapproche, il est décalé vers le bleu. Le mouvement périodique peut ainsi être détecté et mesuré.

Il est clair que cette méthode ne s’applique que dans des cas particuliers. Elle ne permet pas de détecter les planètes dont les orbites sont perpendiculaires à la ligne de visée. Il faut donc garder à l’esprit que le nombre réel de planètes dans l’espace est beaucoup plus grand que ce que nous pouvons déterminer.

Par ailleurs, cette méthode demande des instruments de très haute précision et de très haute stabilité mécanique et thermique. Elle est utilisée dans des observatoires au sol, où des instruments spéciaux, très protégés, ont été construit à cet effet. Au Chili par exemple, où se trouve le spectrographe HARPS.

Pour les planètes détectées, la méthode permet d’obtenir la période orbitale, la distance de la planète à l’étoile, sa masse minimale. D’autres paramètres importants sont obtenus si les mêmes planètes peuvent être détectées par deux méthodes différentes, celle des vitesses radiales et la méthode de transit, décrite ci-dessous.

Image : spectagraphe HARPS. crédits Photos : CC by 3.0 ESO via wikipedia

Méthode de transit

La deuxième méthode la plus utilisée est plus simple à comprendre que la première. Elle utilise le fait que, si une planète passe devant son étoile, elle la cache en partie. Ainsi, lorsqu’on observe en permanence le rayonnement d’une étoile, on peut observer parfois une diminution caractéristique de son rayonnement. Une étude détaillée de cette baisse de flux lumineux permet de déterminer la nature de l’objet qui est passé devant l’étoile. S’il s’agit bien d’une planète, on mesure ainsi sa période orbitale, sa distance à l’étoile, son inclinaison, c’est-à-dire l’angle du plan orbital par rapport à la ligne de visée, et, résultat très important, son rayon.

Image : satellite KEPLER (NASA via Wikipedia)

La méthode de transit est utilisée par les télescopes spatiaux spécialement programmés pour la détection d’exoplanètes, comme dans le passé le satellite CoRoT et actuellement le satellite Kepler .

 

Combinée aux résultats obtenus par la méthode des vitesses radiales, elle permet de confirmer les paramètres orbitaux de la planète et d’obtenir à la fois sa masse et son rayon, et donc sa densité. Cette connaissance est fondamentale car, par comparaison avec les densités des matériaux pouvant constituer des planètes, elle permet de savoir s’il s’agit d’une planète solide, océane, gazeuse, et d’avoir une idée assez précise de ses constituants.

Autres méthodes

Plusieurs autres méthodes sont utilisées pour détecter des exoplanètes. Les deux méthodes suivantes sont importantes car elles permettent de découvrir des planètes non détectables par les méthodes principales :

La méthode astrométrique consiste à mesurer avec une très grande précision la position absolue d'une étoile dans le ciel. Elle est utilisée depuis l’espace, en particulier par le satellite Gaïa. Si les mesures ultra précises montrent qu’une étoile décrit dans le ciel une petite ellipse, il est fort probable que ce mouvement est dû à la présence d’une planète. Il est ainsi possible de détecter des planètes qui orbitent dans un plan perpendiculaire à la ligne de visée, contrairement à la méthode des vitesses radiales. Cette méthode donnera certainement beaucoup de résultats dans un proche avenir.

La méthode des microlentilles gravitationnelles a l’intérêt de s’adresser à des systèmes planétaires très éloignés de nous, alors que les autres méthodes ne peuvent s’appliquer qu’à des objets brillants, donc relativement proches de nous. Elle utilise des résultats de la théorie de la relativité générale. Si une première étoile passe devant une deuxième étoile beaucoup plus éloignée, la première étoile produit une distorsion de la lumière en provenance de la deuxième. A un certain moment, la lumière de l’étoile lointaine est fortement amplifiée puis revient à son état initial. Si la première étoile est associée à une planète, celle-ci produit un effet secondaire en plus de l’effet primaire lié à l’étoile. Quelques exoplanètes lointaines ont pu être mises en évidence de cette manière.

 

Les étoiles centrales de systèmes planétaires

Les caractéristiques des exoplanètes obtenues par ces méthodes ne peuvent être déterminées qu’en fonction des paramètres de l’étoile centrale. Il est donc essentiel de bien connaitre les étoiles centrales de systèmes planétaires. Une importante découverte a permis d’atteindre une beaucoup plus grande précision dans cette étude que par le passé. Les étoiles de type solaire présentent des vibrations de surface, qui peuvent être observées avec les mêmes instruments que ceux utilisés pour la détection d’exoplanètes utilisant les méthodes de vitesses radiales ou de transit. En effet, si l’étoile vibre, sa vitesse radiale présente de petites fluctuations, de l’ordre de quelques minutes, qui se superposent à l’effet global, à plus long terme, dû aux planètes. De même, ces vibrations provoquent de petites fluctuations de lumière visibles par les instruments qui observent les transits.

Il s’agit d’ondes sonores qui se propagent à l’intérieur des étoiles et les font vibrer comme des caisses de résonance d’instruments de musique. Ces ondes, provoquées par le « bruit » des mouvements de convection interne aux étoiles, restent piégées à l’intérieur sans en sortir. L’étude détaillée de ces vibrations permet d’obtenir des informations précieuses et beaucoup plus précises que par le passé sur les paramètres stellaires tels que la masse, le rayon, l’âge des étoiles. Elles permettent donc aussi des déterminations plus précises des paramètres des planètes.

Image : Etude des vibrations produites par l'étoile Mu Ara

 

Planètes habitables ?

La grande question que se posent les êtres humains vivant sur notre belle planète bleue peut se formuler ainsi : « Sommes-nous seuls dans l’Univers ? Existe-t-il d’autres formes de vie ailleurs ?  Ya quelqu’un là-bas ? ». La nouveauté de notre siècle est que la recherche d’une réponse à cette question est devenue un véritable enjeu scientifique. Comme dans toute démarche scientifique, les avancées se font pas à pas, lentement, prudemment. Nous ne connaissons qu’une seule sorte de vie, la nôtre. Ne sachant pas comment caractériser d’autres formes de vie si elles existent, nous cherchons si une vie semblable à la nôtre peut exister ailleurs que sur Terre.

image : Personnage fictif du film E.T de Steven Spielberg (1982) auteur Lou133lou133 via Wikipedia

Notre vie se caractérise en premier par le fait qu’elle a besoin d’eau pour fonctionner. La recherche d’eau liquide sur les planètes est donc notre première quête. Les conditions régnant sur une planète dépendent essentiellement de sa distance à l’étoile. Les astronomes calculent ce qu’ils appellent la « zone habitable » autour des étoiles, en fonction de la température de l’étoile centrale. Cette zone correspond à la distance nécessaire pour que l’eau reste liquide à la surface d’une planète solide comme la Terre. Plus près de l’étoile, l’eau s’évapore, plus loin elle reste gelée. Cependant, « habitable » ne veut pas dire « habité » !

 

Un moyen de détecter si une planète héberge réellement la vie ou non consiste à étudier la composition de son atmosphère. L’atmosphère terrestre présente des caractéristiques identifiables du vivant, comme la vapeur d’eau et l’ozone, en plus du gaz carbonique qui existe aussi sur Mars ou Venus. Comment analyser l’atmosphère d’une planète qu’on ne voit pas directement ?

Les moyens existent ! Dans le cadre de la méthode de transit, si la planète qui cache partiellement l’étoile possède une atmosphère, le rayonnement stellaire traverse en partie cette atmosphère avant de nous parvenir. Dans ce cas, il présente la signature de l’absorption partielle de la lumière par les molécules qui composent l’atmosphère planétaire. Il s’agit ici d’une recherche en plein essor, qui va certainement donner beaucoup de résultats dans un proche avenir.

 

Conclusion

La quête de l’humanité, de mieux comprendre le monde dans lequel elle vit et de mieux se situer par rapport à lui, a fait un immense bond en avant au cours des dernières décennies. La Terre, petite planète bleue, est à présent observée depuis l’espace dans toute sa globalité. Elle montre à la fois ses faiblesses et sa force essentielle, celle d’avoir permis à la vie d’émerger. Cette émergence est-elle unique, fruit de coïncidences inouïes, ou bien est-elle fréquente dans l’Univers ? Personne ne peut encore répondre à ces questions. Cependant, les recherches avancent. L’idée d’une vie primitive possible sur la planète Mars au cours de ses premiers millions d’années fait son chemin. Peut-être y a-t-il des formes de vie dans les océans des satellites de glace de Jupiter et Saturne.

Nous savons à présent qu’il existe des systèmes planétaires autour d’un très grand nombre d’étoiles, et certaines de ces planètes sont solides comme la nôtre, peut-être propices elles aussi à abriter la vie. Personne ne sait précisément comment la vie s’est développée sur la Terre, même si les recherches se poursuivent intensément sur ce sujet. La notion-même de vie n’est pas comprise ni interprétée de la même manière par tout le monde. Essayer de découvrir des signes de vie ailleurs dans l’Univers pourra aider à mieux comprendre l’origine de la vie sur Terre. C’est un vaste et exaltant chantier qui attend les jeunes chercheurs dans ce domaine !

Image : Le Rover Curiosity, lancé le 6 novembre 2011, a atterri sur Mars le 6 août 2012. Il explore le sol de Mars pour mieux cerner les possibilités qu’il y ait eu de la vie sur cette planète dans le passé.

Pour en savoir plus

Le site européen www.exoplanets.eu donne au jour le jour l’ensemble des exoplanètes connues et toutes leurs caractéristiques. En utilisant le site, il est possible de dresser soi-même en ligne des tableaux ou des graphiques statistiques selon ses intérêts personnels.

 

Autres sites et ouvrages :

1-Archimède (287-212 av J.C.), l’Arénaire, traduction F. Peyrard, F. Buisson, 1807

2-Epicure (342-270 av J.C.), Traduction par Octave Hamelin, Revue de Métaphysique et de Morale, 18, 1910, p. 397-440

3-Lucrèce (94 - 54 av J.C. ?), de natura rerum, livre II, trad Henri Clouard

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Article rédigé par Sylvie Vauclair, Astrophysicienne à l'Institut de Recherches en Astrophysique et Planétologie, Professeur Emérite à l'Université Paul Sabatier de Toulouse, membre Honoraire de l'Institut universitaire de France, membre de l'Académie de l’Air et de l’Espace et de l'Academia Europaea. Elle est Chevalier de la Légion d’Honneur, Officier dans l'Ordre National du Mérite et Officier des Palmes Académiques.

Mis en ligne le 13 juin 2016


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