La révolution des exoplanètes

Casoli Fabienne, Thérèse Encrenaz, Lequeux James

Description

Plus de 3600 planètes autour d’étoiles proches ! Qui aurait pu imaginer cette extraordinaire moisson il y a seulement vingt ans ? La grande majorité des étoiles est entourée de planètes, dont il doit y avoir plus de cent milliards dans notre Galaxie. Le Système solaire n’est donc plus un cas isolé, bien qu’il soit différent de la plupart des systèmes extérieurs que nous connaissons aujourd’hui. Comprendre la nature des exoplanètes et de leur atmosphère et savoir comment se sont formés et ont évolué des systèmes planétaires aussi divers sont autant de challenges auxquels travaillent des centaines de chercheurs dans le monde. Et puis, certaines de ces planètes abritent peut-être la vie. Nous n’avons pas encore de réponse à cette question, mais les nouveaux moyens d’observation dont disposent et disposeront bientôt les astronomes sont si puissants qu’ils devraient permettre d’en obtenir des éléments dans quelques décennies, et peut-être même dans quelques années si nous avons de la chance.

Faire le point sur un sujet aussi mouvant et aussi complexe est un défi que nous avons tenté de relever. Il nous a en effet paru utile de donner dans ce livre les bases nécessaires pour comprendre des travaux actuels sur les exoplanètes, qui sont si nombreux et si divers qu’il est facile de s’y perdre.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Astronomie et astrophysique
• Astronomie
• Astrophysique
• Space Science
• Sciences et techniques
• Astronomy
• Science

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 06 juillet 2017
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782759821488
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

LA RÉVOLUTION DES EXOPLANÈTES

James Lequeux, Thérèse Encrenaz et Fabienne Casoli

La révolution des exoplanètes

J. Lequeux T. Encrenaz F. Casoli

17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtaboeuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

Dans la même collection Les planètes : les nôtres et les autres Thérèse Encrenaz Naissance, évolution et mort des étoiles James Lequeux

La fusion thermonucléaire contrôlée Jean-Louis Bobin

Le nucléaire expliqué par des physiciens Bernard Bonin, préface d’É. Klein

Mathématiques des marchés financiers Mathieu Le Bellac et Arnaud Viricel, préface de J.-Ph. Bouchaud Physique et biologie Jean-François Allemand et Pierre Desbiolles La cryptologie Philippe Guillot

L’aventure du grand collisionneur LHC Daniel Denegri, Claude Guyot, Andreas Hoecker et Lydia Roos, préface de C. Rubbia

Le climat : la Terre et les hommes Jean Poitou, Pascale Braconnot et Valérie Masson-Delmotte, préface de J. Jouzel

Aux origines de la masse : particules élémentaires et symétrie fondamentales Jean Iliopoulos, préface de F. Englert

Les relativités : espace, temps, gravitation Michel Le Bellac

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Imprimé en France.

©2017, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtaboeuf, 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. : [phone].

ISBN (papier) 978-2-7598-2111-2 - ISBN (ebook) 978-2-7598-2148-8

Introduction

Table des matières

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1 La préhistoire des exoplanètes 1 Premières idées et spéculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 L’évolution des idées sur la formation du Système solaire . . . . . . . . . . . . 5 La découverte des disques protoplanétaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Les premières tentatives de détection d’exoplanètes . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 Les premières détections 15 Une découverte inattendue : des planètes autour d’un pulsar !. . . . . . . . 15 1995 : La première planète autour d’une étoile comme la nôtre !. . . . . . . 18 Les succès de la vélocimétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 La méthode des transits Qu’est-ce qu’un transit planétaire ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les campagnes d’observation menées depuis la Terre. . . . . . . . . . . . . . . . L’ère spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transits primaires et transits secondaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les transits gravitationnels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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4 Détecter et voir les exoplanètes 45 Avantages et limites des méthodes indirectes de détection . . . . . . . . . . . 45 L’observation directe : un problème très difficile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Une nouvelle piste pour le futur : la recherche des exoplanètes dans le domaine radio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

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La variété des exoplanètes Les résultats marquants des vingt dernières années . . . . . . . . . . . . . . . . . Les différentes classes d’exoplanètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les Jupiters chauds et froids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les super-Terres et les Neptunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les Terres et les planètes habitables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Naissance des étoiles et des disques protoplanétaires 73 Protoétoiles, jets et disques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Les disques protoplanétaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 La ligne de glace dans les disques protoplanétaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 L’interaction entre planètes et disques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Formation et évolution des systèmes planétaires 89 La formation des planètes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 L’évolution des systèmes planétaires : que nous apprend le Système solaire ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Pourquoi n’y a-t-il pas de super-Terres dans le Système solaire ? . . . . . . 99 Planètes expulsées, exoplanètes isolées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Quel est le futur du Système solaire ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Quelles conséquences pour notre compréhension des systèmes exoplanétaires ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

La nature physique des exoplanètes 109 Les observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Les premières mesures par transit de la composition atmosphérique des Jupiters chauds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Les causes possibles de l’écart à l’équilibre thermochimique . . . . . . . . . . 117 Nuages et brumes sur les exoplanètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Mesures spectroscopiques de super-Terres et d’exo-Neptunes en transit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Spectroscopie d’exoplanètes depuis le sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Les courbes de phase et la circulation atmosphérique des exoplanètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

TàblE DES màtIÈRES

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Autour des exoplanètes 125 Les exocomètes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Des anneaux géants autour d’une exoplanète ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

10 La vie sur les exoplanètes ? 133 Qu’est-ce que la vie ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 L’apparition de la vie sur la Terre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 La vie ailleurs dans le Système solaire ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Comment détecter la présence de la vie sur les exoplanètes ? . . . . . . . . . 148 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

11 L’exploration des exoplanètes : quelles perspectives ? 155 Planètes habitables, planètes habitées : un problème difficile . . . . . . . . . 155 Toujours plus de planètes, et plus petites, pour explorer la diversité des systèmes planétaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Nouvel éclairage sur les planètes géantes : astrométrie et imagerie . . . . 165 Étudier les atmosphères des exoplanètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Vers des analogues du système Terre-Soleil : après 2030 ? . . . . . . . . . . . . 171 Alpha du Centaure : d’autres planètes ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

12 Communiquer avec d’autres mondes ? 175 Quelle est la probabilité d’existence de civilisations avancées sur d’autres planètes ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Les projets SETI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Messages vers l’Univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

Annexe 1 : Les planètes du Système solaire

Annexe 2 : Une sélection d’exoplanètes

Annexe 3 : Quelques données utiles

Annexe 4 : La nomenclature des étoiles et des exoplanètes

Glossaire

Sigles

Index

La révoLuTion des exopLanèTes

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Introduction

Parmi les grandes découvertes astronomiques du siècle dernier, la plus reten- tissante aux yeux du grand public a sans doute été celle d’une planète autour d’une étoile lointaine semblable au Soleil. Elle date de 1995. À dire vrai, on s’at- tendait à ce qu’une telle découverte ait lieu un jour, car il n’y a aucune raison pour que le Système solaire soit le seul de son espèce. On spéculait d’ailleurs e depuis l’Antiquité, puis à la fin du XVI siècle avec Nicolas de Cues et Giordano Bruno, sur la possibilité d’existence de systèmes planétaires analogues au nôtre autour d’autres étoiles. Il a simplement fallu que les techniques d’observation aient suffisamment progressé. C’est ce qui différencie la découverte des pla- nètes extrasolaires, ainsi d’ailleurs que celle du boson de Higgs en 2012 et des ondes gravitationnelles en 2015, de celle des objets astronomiques inattendus que sont la matière noire (découverte en 1937), les sources célestes de rayons X (1962), les quasars (1963), le rayonnement fossile de l’Univers (1965), les pul- sars (1965) et les sources de sursauts de rayons gamma (1968), pour ne citer que les plus spectaculaires. La surprise fut tout autre : la nouvelle planète, qui a une masse proche de celle de Jupiter, gravite autour de l’étoile 51 Pegasi en seulement quatre jours et en est vingt fois moins éloignée que la Terre ne l’est du Soleil, ce qui en fait un astre brûlant. Rien de semblable dans le Système solaire, qui s’est trouvé immédiatement dégradé de son statut de prototype des éventuels systèmes planétaires. Bientôt, d’autresexoplanètes (un néologisme qui paraît aujourd’hui bien accepté) furent découvertes. Elles conduisirent à d’autres surprises : certaines ont des orbites elliptiques très allongées, ce qui n’est le cas d’aucune des planètes qui nous sont familières ; lessuper-Terres, de masse intermédiaire entre celle de la Terre et celle de Jupiter, sont fréquentes, bien que sans équivalent dans le Système solaire ; on a trouvé des planètes qui orbitent autour de systèmes d’étoiles doubles... Plus de 3 600 exoplanètes ont été découvertes aujourd’hui. Elles montrent une étonnante variété, que ce soit dans leurs masses, leurs orbites et dans leurs propriétés physiques. Jusqu’à sept planètes ont été détectées dans certains sys- tèmes planétaires, qui en comportent sans doute encore d’autres. La plupart

des exoplanètes connues sont bien plus proches de leur étoile que la Terre ne l’est du Soleil, ce qui a constitué une grande surprise ; cependant, ce n’est peut- être qu’une conséquence des limites de nos observations, car ces planètes en orbite proche sont plus faciles à détecter que les planètes éloignées. Celles-ci existent pourtant ; ce sont d’ailleurs les seules dont on puisse faire l’image sans être trop gêné par la lumière de l’étoile, qui peut être un milliard de fois plus intense. Il existe même des planètes isolées qui circulent dans la Voie lactée : ont-elles été éjectées d’un système planétaire par quelque mécanisme ? Tout ceci a remis en question les idées que nous avions sur la naissance et l’évolution des systèmes planétaires. On a longtemps cru que le Système solaire n’avait guère évolué depuis sa naissance et que la distance des planètes au Soleil était immuable. Pourtant, certains chercheurs ont montré, dès les années 1980, qu’il ne pouvait en être ainsi, en raison de l’interaction gravitationnelle entre les planètes et ce qui reste du disque de gaz et de poussières où elles sont nées en même temps que l’étoile centrale. D’ailleurs, les découvreurs de la première exoplanète ont immédiatement compris qu’elle avait dû s’être formée loin de l’étoile, puis avoir entamé une migration qui l’avait approché très près de celle-ci. Cette constatation, et l’ensemble des propriétés inattendues que mon- traient les exoplanètes au fur et à mesure de leur découverte, conduisirent à une intense activité théorique destinée à en rendre compte, en commençant par la révision des propriétés du Système solaire que l’on pensait pourtant avoir bien comprises. Les résultats sont étonnants : il apparaît que l’aspect actuel du Système solaire dépend entièrement du comportement de ses deux plus grosses planètes, Jupiter et Saturne, et aurait été très différent si seulement l’une d’elles avait été présente. De plus, le Système solaire, comme les autres systèmes pla- nétaires, n’est pas immuable, et pourrait subir d’importantes transformations à l’échelle de plusieurs milliards d’années : on pourrait par exemple assister à l’éjection d’une planète ou à la collision entre deux planètes, un comportement d’ailleurs imprévisible car dominé par le chaos. Quant à comprendre l’origine et la structure des systèmes d’exoplanètes, sur lesquels on a moins de données que sur le Système solaire, c’est encore plus difficile : des centaines de cher- cheurs dans le monde entier travaillent actuellement à ces questions. La recherche des exoplanètes a suscité, et suscite toujours, de grands pro- grès dans l’instrumentation astronomique. Les plus grands télescopes au sol et dans l’espace sont utilisés pour les observer, et de nombreux programmes sont entièrement dédiés à leur recherche et à leur étude. On parvient actuellement à se faire une idée de la température et de la composition chimique de l’atmos- phère des planètes géantes, surtout des « Jupiters chauds » qui gravitent près de leur étoile. Cependant, nous n’en sommes pas encore là pour les planètes moins massives, qui sont celles qui pourraient abriter la vie.

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