L’Europe pionnière dans la recherche d'exoplanètes

Pas une semaine ne passe sans que la Nasa, l’Agence spatiale européenne (ESA) ou un observatoire au sol n’annoncent la découverte d’une exoplanète, corps planétaire situé dans un autre système solaire que le nôtre. Derrière ces petites révélations se cache une grande ambition : être le premier à découvrir, quelque part autour des 100 milliards d’étoiles de notre galaxie, une planète révélant un signe de vie (lire aussi, recherche de vie extraterrestre : la révolution des exoplanètes).

« Dans le domaine, l’Europe a été pionnière, avance Magali Deleuil, coordinatrice scientifique des mission CHEOPS et PLATO au Centre national d’études spatiales (CNES). C’est d’ailleurs une équipe suisse de l’observatoire de Genève qui a détecté, en 1995, 51 Pegasi b, la première exoplanète. »

Les astrophysiciens ne peuvent pas observer directement les exoplanètes, car ces objets célestes sont trop lointains et trop peu lumineux. On peut cependant les détecter par « la méthode du transit ». Un télescope repère, depuis l’espace ou le sol (moins précis), un léger obscurcissement de la luminosité d’une étoile, signifiant qu’une planète passe devant elle. « L’Europe est très performante dans ce domaine, explique l’astrophysicienne. Pour effectuer ces mesures, la meilleure option consiste à envoyer des télescopes en orbite. »

Le phénomène de transit est relativement rare : pour la Terre, par exemple, il ne se produit qu'une fois dans l’année, avec une baisse de luminosité très faible. Pour avoir une chance de le repérer, il faut donc que le télescope spatial observe plusieurs dizaines de milliers d’étoiles en même temps. « L’un des premiers instruments envoyés dans l’espace dans ce but était le télescope européen CoRot, lancé en 2006, et dont la mission s’est achevée en 2012 », souligne Magali Deleuil.

LES PREMIÈRES MISSIONS : COROT, PIONNIER DE LA RECHERCHE DES EXOPLANÈTES

Le télescope CoRot était relativement petit — une trentaine de centimètres. Il a ainsi détecté essentiellement des planètes géantes, mais a quand même découvert la première super-Terre en transit (corps planètaire au moins une fois et demi plus grand que le nôtre). Or, ces planètes sont toutes trop proches de leur étoile et ne peuvent héberger la vie. « Les températures y atteignent les 1 500 °C, précise la scientifique. Nous avons tout de même pu tirer de nombreuses informations de ses observations, notamment concernant la nature des planètes détectées. » En tout, une quarantaine d’exoplanètes ont été révélées et caractérisées. La plupart sont gazeuses, à l’exception de CoRot-7b, qui est rocheuse. La mission a aussi permis de mieux connaître le rayon des « naines brunes », des étoiles avortées, découvertes en 2003, transitant entre les planètes et leur étoile.

En parallèle, la Nasa a envoyé le fameux télescope spatial Kepler. Celui-ci mesurait près d’1 m de diamètre, une taille suffisante pour détecter des planètes analogues à la Terre. Les fameuses candidates pour abriter la vie ! Avant que ne s’achève sa mission, en octobre dernier, il a ainsi pu repérer 2 662 exoplanètes.  « Mais Kepler n’a pas pu obtenir la masse de ces planètes, déplore la spécialiste. Pour savoir si une planète est plutôt rocheuse ou gazeuse, il faut connaître sa densité, ce qui implique d’évaluer son rayon (déductible avec la méthode du transit) et sa masse. Cette dernière donnée est obtenue en calculant la “vitesse radiale” à l’aide de spectrographes au sol. Ces instruments détectent les très faibles variations périodiques de mouvement d'une l’étoile, induites par la présence d'une planète. Problème : pour y parvenir, il faut que l’étoile soit assez brillante. Or, Kepler a observé 150 000 étoiles, en même temps, pendant 4 ans. Il a donc dû prendre un angle très large, comprenant des étoiles lointaines, très peu lumineuses. »

Même s'il n'a pas pu déterminer la masse des exoplanètes, on ne peut pas dire que sa mission soit un échec. Le télescope spatial de la Nasa a révolutionné nos connaissances sur les exoplanètes, en révélant leur variété inouïe : on sait désormais qu'il existe des super-Terre, très proches de leur étoile, et des mini-Neptune, disposées sur des systèmes planétaires très prés les unes des autres, ou bien encore que certaines d’entre elles tournent autour de deux étoiles.

PROCHAINE ÉTAPE : FOCUS SUR LES ÉTOILES BRILLANTES

« Pour obtenir la masse et le rayon des planètes, il faut connaître celles de leur étoile, explique Magali Deleuil. Ces grandeurs physiques ne sont aujourd’hui mesurables, avec la précision requise, que dans le cas d’étoiles brillantes. L’ESA et la Nasa ont donc développé des missions de nouvelle génération se focalisant sur l’étude des étoiles à forte luminosité. » Ainsi, le télescope spatial européen Cheops sera lancé fin 2019.

La Nasa a déjà envoyé le satellite Tess, qui a pris le relais de Kepler, en avril 2018. Alors que Kepler et CoRot étudiaient une dizaine ou une centaine de milliers d’étoiles en même temps, Cheops va se concentrer sur une seule étoile durant quelques jours. Tess, quant à lui, est en train d’effectuer une étude de la quasi intégralité du ciel. Globalement, ces deux nouveaux instruments sont conçus pour détecter et analyser des planètes à courte période orbitale. 

Puis, une autre mission européenne, nommée Plato, prendra le relai de Cheops, en 2026. Celle-ci aura pour objectif de détecter et d'analyser des planètes similaires à la Terre. Afin de mesurer précisément leur rayon, leur masse et leur âge, l’instrument étudiera les vibrations d'étoiles brillantes grâce à un astérosismographe. Avec toutes ces données, la nature des exoplanètes sera parfaitement déterminée, ce qui permettra d’envisager l’objectif suivant : cibler celles qui ont de bonnes chances de posséder une atmosphère et des conditions de surfaces favorables à l’épanouissement de la vie.

DERNIÈRE ÉTAPE : ATMOSPHÈRE ET BIOMARQUEURS EXOPLANÈTAIRES

En 2028, l’ESA a donc déjà prévu de lancer Ariel, un télescope capable d’analyser l’atmosphère de planètes géantes proches de leur étoile. Une mission  aujourd’hui assignée au très gros télescope au sol, comme celui de l’Observatoire européen austral, dans le désert d’Atacama, au Chili. Enfin, la Nasa, associée à des laboratoires européens, comme le CNES, est en train étudier différents types d'instruments spatiaux, dont Luvoir, afin d'entamer l’une des dernières étapes vers la détection de vie extraterrestre, avec pour objectif 2040.

Luvoir analysera en détail l’atmosphère d'une dizaine d’exoplanètes, similaires à la Terre, et essaiera d'y trouver les preuves d'une signature de vie. Outre la difficulté technologique, reste à bien déterminer quels sont les biomarqueurs les plus pertinents (eau, chlorophylle, oxygène...). « Vingt ou trente ans de recherche sont encore nécessaires pour atteindre cet objectif. Et, dans l’hypothèse où ceux-ci seraient repérés sur une planète, il serait impossible de l'approcher. Les sondes les plus rapides circulent aujourd'hui à 252 000 km/h. Si la candidate potentielle se trouve dans le système planètaire le plus proche de notre Galaxie, c’est-à-dire Proxima du Centaure, située à 4,3 années-lumière de la Terre, il faudrait donc au moins 18 000 ans pour la rejoindre. Quant à envoyer un vol habité sur place, cela reste totalement hors de portée »,  conclut Magali Deleuil.