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LES PLANÈTES les nôtres et les autres Thérèse Encrenaz Préface de James Lequeux
Collection « Une Introduction à » dirigée par Michèle Leduc et Michel Le Bellac
Les planètes Les nôtres et les autres
De la Terre aux Exoplanètes
Thérèse Encrenaz
Préface de James Lequeux
17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France
Imprimé en France.
©2010, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : 01 43 26 95 35.
ISBNEDP Sciences 978-2-7598-0444-3
Thérèse Encrenaz, née en 1946, est directrice de recherche au CNRS et travaille au LESIA (Laboratoire d’Études Spatiales et Instrumentales en Astrophysique) à l’Observatoire de Paris. Elle est spécialiste de l’étude d es atmosphères planétaires, en particulier par sondage à distance, à partir d’observations de-puis le sol ou les sondes spatiales. Elle a été impliquée dans les missions spatialesVega,Phobos,Galileo,Mars Express,Venus ExpressetRosetta. Elle est l’auteur d’environ 200 articles à co-mité de lecture et d’une dizaine d’ouvrages de vulgarisation. Elle a reçu la médaille d’argent du CNRS en 1998, la médaille Janssen de la Société Astronomique de France en 2007, et la médaille David Bates de l’Union Géophysique Européenne en 2010.
Remerciements
Je tiens à remercier Fabienne Casoli et Athena Coustenis qui ont bien voulu relire ce manuscrit. Merci aussi à Marc Ollivier et à Athena pour leur aide dans la réalisa-tion des figures. Enfin je remercie tous les collègues qui m’ont permis d’utiliser des documents leur appartenant pour la réalisation de cet ouvrage.
Remerciements
Préface
Introduction
1
2
3
Table des matières
3
7
9
Comment explorer les planètes ?15 1.115La Terre dans l’espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L’observation au télescope . 17 1.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L’observation depuis l’espace 21 1.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . À la recherche des exoplanètes 28
La naissance des planètes33 2.1Une formation au sein d’un disque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2Un scénario courant dans l’Univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.337. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quel est l’âge du système solaire ? 2.440. . . . . . . . . . . . . . . Les grandes étapes de la formation planétaire . 2.542Planètes telluriques et planètes géantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.644Entre les planètes : comètes et astéroïdes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La famille de Pluton 46
À la découverte de la planète Terre49 3.151Roches et métaux : une structure interne différenciée . . . . . . . . . . . 3.255Une singularité terrestre : la tectonique des plaques . . . . . . . . . . . . 3.356. . . . . . . . Formation des reliefs terrestres : le principe de l’isostaies . 3.457. . . . . . . . . . . . . . . . Notre milieu naturel : l’atmosphère terrestre 3.562Le cycle de l’eau : une autre spécificité terrestre . . . . . . . . . . . . . . 3.665Entre la Terre et l’espace, la magnétosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7Une brève histoire du climat terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.8Le couple Terre-Lune : un système double . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.9. . La Terre, une planète unique. 71. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
5
6
7
Les voisines de la Terre75 4.176. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Au plus près du Soleil, Mercure 4.279. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Une Lune qui ressemble à Mercure 4.382Vénus, la fournaise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.488Mars, un monde désertique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.598. . . . Évolution comparative des planètes telluriques : le rôle de l’eau
Un peu plus loin, les planètes géantes101 5.1Deux classes de planètes géantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.2ration..........édecnneidsepxoltuepàNerisro:tne811.tipuJeD 5.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125Les satellites extérieurs .
Exoplanètes, les nouveaux mondes133 6.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134Une longue quête semée d’échecs 6.2Quinze ans plus tard, état des lieux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 6.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157La formation des systèmes planétaires 6.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Comment classer les exoplanètes ? . 6.5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165De la détection à la caractérisation .
À la recherche de mondes habitables169 7.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169Une nouvelle discipline, l’exobiologie 7.2La vie ailleurs dans le système solaire ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 7.3La vie dans les exoplanètes ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183À la recherche de mondes habités
Annexe
6
185
Table des matières
Préface
Le livre de Thérèse Encrenaz est un des tout premiers d’une nouvelle série, « Intro-duction à. . . », destinée à faire le point sur une question scientifique dans un langage simple et accessible, loin du jargon des spécialistes. Cette question, qui est ici la na-ture, l’origine et l’évolution des planètes, est d’une actualité brûlante puisque nous connaissons maintenant près de 450 planètes autour d’étoiles proches, qui s’ajoutent aux huit modestes planètes de notre Système solaire. L’astronomie planétaire est une science presque aussi ancienne que la civilisation, puisque déjà les Babyloniens et les Assyriens connaissaient le mouvement des pla-nètes. À partir de Newton, la mécanique céleste, qui étudie et prédit ce mouvement, s’est développée pour atteindre un degré de raffinement qui en a fait « la reine des sciences exactes » ; les développements récents de cette discipline, dont on pensait pourtant qu’elle avait atteint son aboutissement, sont étonnants et spectaculaires. À l’inverse, faute de moyens d’observation appropriés, les progrès de l’étude physique e des planètes ont été très lents après la moisson de découvertes faites au XVII siècle par Galilée, Huygens et Cassini. Il y a seulement un demi-siècle, on ne savait en-core à peu près rien de la nature des planètes et de leur atmosphère, sans parler de leurs satellites. Puis, grâce aux grands télescopes, aux radiotélescopes, aux téles-copes en orbite et aux sondes spatiales d’exploration directe, nos connaissances ont littéralement explosé. Une nouvelle discipline, la planétologie comparée, est née des découvertes, souvent inattendues et surprenantes, faites au cours de ces cinquante dernières années : elle nous offre des horizo ns passionnants sur l’origine et l’évolu-tion des planètes et de notre Terre elle-même. De surcroît, la découverte des planètes extrasolaires, qui est un des grands triomphes de l’astronomie actuelle, ouvre une nouvelle dimension dans l’étude des planètes , et des perspectives prometteuses pour la recherche de la vie ailleurs que sur la Terre. Cependant, nos connaissances foison-nantes sont loin d’être définitives : la v ariété des planètes et des satellites, et celle des systèmes planétaires lointains où l’on r encontre des astres sans équivalent dans notre système solaire, posent bien des problèmes qui ne sont pas encore résolus. Il pourrait paraître impossible de faire tenir en si peu de pages un exposé simple et complet d’une matière aussi complexe et aussi riche. C’est pourtant ce qu’a réussi