Kepler, Gaia : explorer l’espace à la recherche d’une nouvelle Terre

« Nous ne survivrons pas 1000 ans de plus sans s’échapper de notre planète devenue fragile », avril 2013, Stephen Hawking. Déjà en 2010, le plus célèbre physicien depuis Albert Einstein, expliquait que les humains devaient absolument coloniser l’espace dans les 200 prochaines années s’ils ne voulaient pas être victimes d’une extinction majeure. Un esprit aussi brillant qui tire la sonnette d’alarme et parle de coloniser l’espace ? Alors que Kepler arrive en fin de vie et que la mission européenne Gaïa s’apprête à débuter pour cartographier le ciel, il n’en fallait pas plus à la rédaction pour s’intéresser à ces systèmes planétaires et faire un tour d’horizon des autres mondes potentiellement habitables.

Avant de partir à la découverte de ces mondes situés à plusieurs années-lumière, commençons par regarder ce qui est plus proche de nous : notre système solaire. Rappelons que la planète qui nous héberge gracieusement est une planète tellurique. En opposition avec les planètes gazeuses comme Jupiter ou Saturne, la Terre possède une surface solide sur laquelle on peut se déplacer. Dans notre système solaire il existe 4 planètes telluriques sur les 8 au total (par ordre d’éloignement avec le Soleil : Mercure, Vénus, la Terre et Mars).

Les 4 autres — Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune — sont gazeuses. On considère que ces grosses planètes gazeuses sont inhabitables. Les physiciens ont vite remarqué que les planètes telluriques sont plutôt petites (la Terre étant la plus grosse avec un diamètre de 12 800 km environ) et les planètes gazeuses sont grosses (Jupiter faisant 12 fois le diamètre de la Terre). On comprend donc que pour accueillir l’humanité, une planète doit être tellurique. Dès l’antiquité ces observations ont été faites et notre connaissance du système solaire n’a fait que s’affiner au cours des siècles qui ont suivi grâce, entre autres, à des physiciens comme Kepler et Newton.

Dans notre système solaire, il existe donc deux types de planètes : les planètes dites telluriques, qui possèdent une surface solide sur laquelle nous pouvons nous déplacer, qui sont donc potentiellement habitables ; les planètes dites gazeuses, qui sont de grosses boules de gaz avec un noyau solide à leur centre, qui ne sont pas habitables.

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Comparaison des tailles dans le système solaire.

À ce moment là, on se dit que si le Soleil possède 8 planètes aussi différentes les unes des autres, il n’y a pas de raison pour que les autres milliards d’étoiles qui nous entourent n’aient pas cette chance. Les astronomes ont bien évidemment ruminé cette question très rapidement. Le Soleil est-il la seule étoile à posséder des planètes ? En théorie, c’est possible… Mais en pratique, comment parvenir à observer une planète, aussi grosse soit-elle, en train de graviter autour de son étoile ?

Par définition, une étoile et une planète se différencient par le fait que la première fabrique sa propre énergie. Une étoile va être suffisamment grosse et massive — le diamètre du Soleil représente 110 fois celui de la Terre et sa masse est 100 fois supérieure à celle de Jupiter — pour subir en son cœur des réactions nucléaires qui vont lui permettre de dégager de la chaleur et de la lumière. Une planète, elle, ne sera visible qu’en reflétant la lumière de son étoile. Elle n’émet pas sa propre lumière. On comprend alors mieux la difficulté des astronomes pour observer une planète autour de son étoile : ce serait comme essayer d’observer une balle de tennis positionnée dans le faisceau d’un phare allumé. Devant la difficulté à observer directement une exoplanète (nom que l’on donnera à une planète gravitant autour d’une étoile autre que le Soleil), il a fallu développer d’autres techniques.

La plus fréquemment utilisée est celle dite des vitesses radiales. Si une planète gravite autour d’une étoile, alors un équilibre gravitationnel va s’instaurer et un centre de gravité du système compris entre l’étoile et la planète va apparaître. Plus la planète sera petite, moins elle aura d’influence, et plus le centre de gravité sera proche du centre de l’étoile.

Cette technique se propose d’étudier le déplacement de l’étoile autour de ce centre de gravité. Depuis la Terre, si certaines conditions sont réunies, on est capable de voir s’éloigner puis se rapprocher l’étoile grâce à l’effet Doppler. Si le plan orbital de la planète possède un angle suffisamment petit, alors, lorsque la planète s’éloigne et se rapproche en tournant autour de son étoile, il est possible de mesurer la vitesse radiale de l’étoile. Les mathématiques des formules de Newton et de Kepler permettent ensuite, à partir de ces mesures, de définir la taille, la masse de l’exoplanète ainsi que sa période de révolution. La classe.

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À gauche : GIF montrant le déplacement de l’étoile autour du centre de gravité du système. En haut à droite : période de ce déplacement. En bas à gauche : décalage du spectre lumineux. Par Emmanuel Pécontal, observatoire de Lyon.

Une autre méthode fréquemment utilisée est celle dite de transit. Rien à voir avec notre système digestif, mais plutôt avec le fait que la planète peut parfois passer devant son étoile, ce qui va faire baisser la luminosité de celle-ci. Sur Terre, on appelle ça une éclipse. Plus la planète sera grosse et plus la lumière de son étoile va baisser, ce qui permet à nouveau de remonter aux informations physiques de l’exoplanète.

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Graphique montrant la baisse de luminosité de l’étoile lorsqu’une planète passe devant. La baisse est plus forte si la planète est plus grosse.
Image NASA kepler.nasa.gov/

Malgré ces méthodes de détections indirectes très habiles, il a fallu attendre 1995 pour que la première exoplanète soit officiellement découverte par Michel Mayor et Didier Queloz (Observatoire de Genève) à l’Observatoire de Haute-Provence en France.

Les instruments à cette époque ne permettaient la découverte que de grosses planètes assez proches de leur étoile. Néanmoins, le nombre de nouvelles exoplanètes ne faisait qu’augmenter d’année en année, pour atteindre plus de la centaine à l’aube du XXIe siècle. Des équipements de nouvelle génération (HARPS, Kepler) ont par la suite équipé les télescopes et des mesures plus fines purent être faites. Ce qui mena inéluctablement en 2006 à la découverte de la première exoplanète tellurique.

« Il a fallu attendre 1995 pour que la première exoplanète soit officiellement découverte. »

Dès lors, on commence à se poser une série de questions, la première étant : est-elle habitable ?

Pour qu’une planète soit habitable, le fait qu’elle soit tellurique est indispensable mais, comme souvent, pas suffisant. Il y a toute une série de conditions, et la première d’entre elles est la distance de la planète à son étoile.

Planète habitable, planète hostile

Toutes les planètes ne sont pas habitables, la preuve dans notre système solaire où la Terre est la seule planète capable d’accueillir la vie. Il est donc logique de retenir les conditions dans lesquelles se trouve la Terre pour trouver une exoplanète aux caractéristiques quasi-identiques.

La toute première condition d’habitabilité n’est pas liée à la planète en elle-même mais à l’étoile autour de laquelle elle gravite. Il faut que cette étoile appartienne à une certaine classe spectrale, système de notation qui indique la température de surface des étoiles. Les classes F et G sont les plus appropriées car ce sont des étoiles qui ne sont ni trop chaudes, ni trop froides et qui vivent suffisamment longtemps pour que la planète ait le temps de se refroidir (la Terre n’était en effet pas habitable dès sa création). Ce type d’étoiles est également relativement stable, c’est-à-dire qu’elles ne présentent pas des variations de luminosité trop importantes qui pourraient entraîner des changements significatifs du climat de la planète.

La seconde condition est la distance de la planète et de son étoile pour que la température de surface permette à l’eau de couler à l’état liquide — une évidence, et souvent ce que les astronomes cherchent immédiatement une fois la planète atteinte, comme récemment sur Mars.

La troisième condition est quant à elle directement liée aux caractéristiques internes de la planète. Si sa masse est trop faible, il est probable que sa faible gravité rende son atmosphère trop ténue et que la surface soit alors balayée par les rayonnements nocifs émis par l’étoile. C’est pour cette raison qu’il est préférable de ne pas trop s’exposer au Soleil car, malgré notre atmosphère protectrice, certains rayonnements comme les ultraviolets (UV) sont suffisamment énergétiques pour détruire nos cellules ou provoquer des mutations génétiques. Il ne faut cependant pas que la planète soit trop massive, ce qui rendrait la gravitation à sa surface trop difficile à supporter. Pour une planète du même diamètre que la Terre, mais d’une masse 5 fois supérieure, notre poids serait multiplié par 5. Donc à moins de sur-développer nos muscles… on vous laisse imaginer le résultat.

La quatrième condition est celle concernant l’orbite et la rotation de la planète. Il existe des corps célestes comme la Lune qui ont une orbite synchrone. La Lune va mettre autant de temps à faire un tour sur elle-même qu’à accomplir une orbite complète autour de la Terre. C’est pour cela qu’elle présente toujours la même face. Si la planète montre toujours la même face à son étoile, alors la face jour sera très chaude, desséchée et la face nuit complètement froide et gelée, rendant l’habitabilité de la planète particulièrement difficile. On comprend alors que, pour les mêmes raisons, le cycle jour/nuit ne doit pas être trop long.

Résumons la situation. Si nous voulons trouver une planète capable de nous accueillir, les astronomes doivent chercher une planète sensiblement de la taille de la Terre, qui soit à une distance raisonnable de son étoile, qui doit être elle-même une étoile assez stable de taille moyenne. Pas facile, mais il y a l’avantage du nombre. Il y a quelques centaines de milliards d’étoiles dans notre galaxie, et la majorité est composée d’étoiles semblables au Soleil : moyennes, sans variations abruptes de luminosité, appartenant à la séquence principale, banales.

Les chercheurs ont depuis 1995 étudié les étoiles dans la banlieue du système solaire, c’est-à-dire des étoiles se trouvant au maximum à quelques milliers d’années-lumière. Sachant que notre galaxie s’étend sur environ 100 000 années-lumière, c’est comme si les astronomes n’avaient pour l’instant visité qu’une seule pièce d’un immense château.

Habitable_Zone

Graphique montrant les différentes zones autour d’étoiles de types M, K, G et F

Terre 2.0

« Il existerait au moins 100 milliards de planètes rien que dans notre galaxie, dont au moins 17 milliards de taille terrestre. »


Début 2013, 854 exoplanètes ont été confirmées dans 673 systèmes planétaires dont 126 multiples, et 186 exoplanètes supplémentaires sont contestées ou en attente de confirmation. Mais le plus impressionnant reste sûrement à venir, car, début 2013, la NASA a annoncé que son satellite Kepler a recensé près de 3 000 candidates potentielles qui demandent confirmation via d’autres méthodes de détection. Vu le nombre important de découvertes d’exoplanètes dans un volume de l’espace si restreint, on estime qu’il existerait au moins 100 milliards de planètes rien que dans notre galaxie, dont au moins 17 milliards de taille terrestre.

Pour le moment, il existe une liste restreinte de planètes telluriques gravitant en zone habitable. On les appelle les « planètes candidates ». Faisons un tour d’horizon de ces planètes découvertes par ordre croissant de similitudes avec la Terre :

Gliese 581 d

étoile : Gliese 581
spectre de l’étoile : M
distance planète/étoile : 0,25 UA (Terre-Soleil : 1 UA, soit 149 597 871 kilomètres)
masse : 6,9 fois la masse de la Terre
Rayon : 2,2 fois le rayon de la Terre
Température de surface : -37 ˚C
période orbitale : 67 jours (la Terre : 365,25 jours)
distance par rapport à la Terre : 20 années-lumière (a.l.)
ressemblance avec la Terre : 53%

Elle gravite autour de la naine rouge (type spectral M) Gliese 581 avec une période de 67 jours. Elle fait 2 fois la taille de la Terre pour une masse 6 à 7 fois supérieure. Une équipe du laboratoire de météorologie dynamique de l’Institut Pierre-Simon Laplace à Paris a démontré que si l’atmosphère était composée essentiellement de CO2, elle pourrait garder assez de chaleur pour retenir des nuages, des pluies et des océans. Belle candidate, mais c’est tous les jours le Grand Nord.

Gliese 163 c

étoile : Gliese 163
spectre de l’étoile : M
distance planète/étoile : 0,14 UA (Terre-Soleil : 1 UA)
masse : 8,3 fois la masse de la Terre
Rayon : 2,4 fois le rayon de la Terre
Température de surface : 61 ˚C
période orbitale : 26 jours (la Terre : 365,25 jours)
distance par rapport à la Terre : 50 a.l.
ressemblance avec la Terre : 74%

Avec une masse environ 8 fois supérieure à celle de la Terre, cette grosse planète tellurique gravite elle aussi autour d’une naine rouge (type spectral M), Gliese 163, situé à 50 années-lumière en une période de 26 jours. On se rend compte que malgré le fait qu’elle gravite dans la zone habitable, ce n’est pas l’idéal pour que l’humanité s’y installe. Une étoile de type spectral M n’est pas rédhibitoire, mais une période de révolution de 26 jours, c’est peu. Cela signifie qu’une année sur cette planète dure 26 jours terrestres. Ce n’est probablement pas assez pour que l’humanité s’y épanouisse.

Kepler 22 b

étoile : Kepler-62
spectre de l’étoile : G
distance planète/étoile : 0,85 UA (Terre-Soleil : 1 UA)
masse : indéterminée
Rayon : 2,4 fois le rayon de la Terre
Température de surface : 31 ˚C
période orbitale : 290 jours (la Terre : 365,25 jours)
distance par rapport à la Terre : 540 a.l.
ressemblance avec la Terre : 75%

Son étoile est une étoile de type G (comme le Soleil) située à 620 années-lumière. La planète possède un rayon 2,4 fois supérieur à celui de la Terre et une masse encore indéterminée. Elle est toutefois estimée entre 35 et 140 fois celle de la Terre. Dans tous les cas la gravité serait trop importante pour l’être humain. Elle possède une période orbitale de 290 jours, soit proche de notre année terrestre.

Gliese 667 Cc

étoile : Gliese 667 C
spectre de l’étoile : M
distance planète/étoile : 0,13 UA (Terre-Soleil : 1 UA)
masse : 4 fois la masse de la Terre
Rayon : 2 fois le rayon de la Terre
Température de surface : 27 ˚C
période orbitale : 28 jours (la Terre : 365,25 jours)
distance par rapport à la Terre : 23 a.l.
ressemblance avec la Terre : 82%

Gliese 667 est un système d’étoile triple (Gliese 667 A, Gliese 667 B et Gliese 667 C). Nous avons affaire à la deuxième planète d’un système qui comporte 5, voire 7 planètes (à confirmer). La planète qui nous intéresse gravite donc autour de la troisième étoile de ce système. Elle est estimée semblable à la Terre à 82%. Malgré tout, les différences sont de taille, en particulier sa période de révolution qui est seulement de 28 jours.

Kepler 62 e

étoile : Kepler-62
spectre de l’étoile : K
distance planète/étoile : 0,43 UA (Terre-Soleil : 1 UA)
masse : 3,6 fois la masse de la Terre
Rayon : 1,6 fois le rayon de la Terre
Température de surface : 31 ˚C
période orbitale : 122 jours (la Terre : 365,25 jours)
distance par rapport à la Terre : 1200 a.l.
ressemblance avec la Terre : 83%

On arrive à celle qui aujourd’hui ressemble le plus à notre bonne vieille Terre. Une masse de 3,6 fois celle de la Terre pour un rayon seulement 1,6 fois supérieur. La température de surface serait de 31 degrés Celsius et une année s’écoulerait en 122 jours. En voilà une qui est bien partie pour être la candidate la plus sérieuse : quand on commence à ne pas avoir grand chose à en dire, c’est bon signe.

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Vue d’artiste des planètes potentiellement habitables. La Terre est représentée en haut à droite à la même échelle à titre de comparaison.

La recherche et la découverte des planètes gravitant autour d’autres étoiles que le Soleil n’en est pourtant qu’à ses débuts. Les techniques et les instruments ne demandent encore qu’à s’améliorer. Pour autant, les découvertes d’exoplanètes de plus en plus semblables à la Terre s’accélèrent. Les chercheurs travaillent par exemple nuits et jours pour décortiquer les données du satellite Kepler (voir encadré) et essayer de confirmer l’existence de près de 3000 exoplanètes potentielles. Il est certain que quelques-unes d’entre elles feront bientôt la une des journaux spécialisés…

Forever alone ?

Mais ensuite ? Que faire une fois que l’on aura trouvé des planètes semblables à notre chère Terre ?

Dans un premier temps la science devrait nous permettre de répondre à une question aussi vieille que la conscience : sommes-nous seuls dans l’univers ? Est-ce que la vie ne s’est développée que sur Terre ?

Comment répondre à cette question ? En théorie, c’est assez simple. Il faudra étudier via la spectroscopie l’atmosphère d’une de ces planètes qui semble propice à la vie. Les physiciens savent faire des spectres de lumière depuis plusieurs siècles. Cette méthode permet de donner la composition chimique d’une atmosphère et même de remonter à la température de surface du corps observé (la fameuse loi de Wien). Une analyse de l’atmosphère de cette planète permettrait donc de voir la présence d’éléments chimiques, signe de photosynthèse et donc signe de vie végétale… même si comme nous l’avons vu précédemment, il est difficile d’observer directement une exoplanète complètement noyée dans le flot lumineux de son étoile.

« À l’allure de nos sondes spatiales, il faudrait environ 100 000 ans pour rejoindre une planète située à 20 années-lumière… »

Une fois que toutes les conditions sont réunies et que l’on est sûr que la planète est capable d’abriter la vie, il faudra penser à aller explorer ces planètes et pour l’instant, cela relève purement et simplement de la science-fiction. Les exoplanètes habitables les plus proches se trouvent à plusieurs dizaines d’années-lumière. En voyageant à la vitesse de la lumière, il faudrait donc plusieurs dizaines d’années pour les atteindre. Ceci parait raisonnable. Long à l’échelle d’une vie humaine, mais pas insurmontable. Seulement voilà, nos engins spatiaux sont aujourd’hui très loin d’atteindre, voire d’approcher, de cette vitesse prodigieuse, invariant physique, de 299 792 458 m/s. Les engins les plus rapides construits par l’homme sont des sondes spatiales pouvant atteindre les 250 000 km/h. Soit 70 km/s.

À l’allure de nos sondes spatiales, il faudrait environ 100 000 ans pour rejoindre une planète située à 20 années-lumière… Il est donc fort probable qu’avant de visiter ces planètes, les humains commenceront par se déplacer sur la Lune puis sur Mars, faute de mieux. Et sans moyen de transport efficace pour parcourir des distances astronomiques, le jour n’est pas encore arrivé où l’humanité pourra se déplacer de planète en planète dans toute la galaxie, comme on peut le lire dans la fameuse Fondation d’Isaac Asimov.

Une réflexion sur “Kepler, Gaia : explorer l’espace à la recherche d’une nouvelle Terre

  1. pierrebamony dit :

    Cet article est très pédagogique. Il permet au profane en physique d’avoir des idées précises sur la question des exoplanètes ; de la possibilité ou non d’aller habiter un jour sur l’une d’elles.
    Toutefois, il est clair qu’une telle éventualité relève de nos rêves insensés, de nos utopies, de notre volonté de puissance de dominer notre système solaire avec l’ambition sous-jacente de régner éventuellement sur lui. D’une part, nos technologies pour effectuer de telles distances sont classables dans les antiquités, surtout en raison de la pression de la matière exotique sur nos vaisseaux spatiaux. Sauf si l’on s‘accorde avec la théorie des cordes qui a mis en lumière les dimensions supplémentaires entortillées de l’espace que des tenants éminents de cette vision singulière des phénomènes, comme Edward Witten, Philip Candelas, Andrew Stroninger etc., nomment « espaces de Calabi-Yau », en l’honneur d’Eugénio Calabi et de Shing-Tung Yau. Dans cette perspective, on pourrait envisager un voyage du genre trans-spatio-temporel.
    D’autre part, la durée de la vie humaine rend quasi impossible de tels voyages trans-spatio-temporels par le biais des engins technologiques que nous connaissons aujourd’hui. Enfin, la question majeure réside tout de même dans l’habitabilité sur l’une de ces exoplanètes. Comme Albert Jacquard l’a montré dans son ouvrage, Voici le temps du monde fini, nous sommes nés sur cette terre, nous y sommes faits et nous n’avons aucune chance ni de nous en échapper, ni non plus de nous adapter nulle part ailleurs qu’ici.
    Au fond, il serait intéressant que vos instruments d’inspection des cieux lointains s’intéressent, enfin, à l’existence possible d’autres êtres différents de nous et qui, si nous les accueillions pacifiquement, pourraient aider les prochains habitants de cette planète condamnée à mort par la voracité des hommes, entre autres, émigrer ailleurs pour sauver leur peau de l’anéantissement annoncé.

    Pierre BAMONY

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