La chasse aux exoplanètes : mode d’emploi

Développé par la NASA et les Agences spatiales européenne (ESA) et canadienne (ASC), le télescope spatial James-Webb sera lancé vers mars 2021. “Il promet de révolutionner la science, souligne Xavier Bonfils, astrophysicien à l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble. Ce télescope permettra de savoir facilement si des exoplanètes ayant la taille de la Terre possèdent également une atmosphère qui contient de l’eau. On fera donc beaucoup de progrès dans la connaissance des planètes propices à la vie”. 

Un autre projet ambitieux est celui de l’Observatoire européen austral (ESO) : le Télescope géant européen qui, lui, sera installé sur Terre.

Déterminer la densité d’une exoplanète

“Il y a beaucoup de “si” qui planent, remarque Xavier Bonfils. Plusieurs exoplanètes sont à ce jour considérées comme potentiellement habitables, candidates de part leur taille similaire à celle de la Terre, mais il faut savoir si elles ont une atmosphère et quelle en est la composition, si elles présentent un effet de serre, quels types de nuages s’y forment… Et pour ce faire, une démarche rationnelle a été adoptée”. À l’heure actuelle, les techniques de mesure pour explorer les exoplanètes restent indirectes puisque la lumière de l’étoile surpasse tellement celle de sa planète qu’un télescope est vite “ébloui”. La méthode historique pour détecter une exoplanète est celle des vitesses radiales. Il s’agit de déterminer la masse de la planète extrasolaire grâce à la mesure des changements de vitesse radiale de son étoile. En effet, le système planète-étoile tourne autour d’un barycentre et cette révolution cause l’approche et l’éloignement périodiques de l’étoile par rapport à l’observateur, résultant en un décalage spectral périodique. Cette méthode donne la masse de la planète en fonction de l’inclinaison de l’orbite (qui reste inconnue). 

Une autre méthode est celle des transits ou des éclipses. Si par hasard l’orbite d’une planète est alignée avec notre ligne de visée, les planètes peuvent occulter une partie de leur étoile, créant ainsi une baisse de luminosité. On connait alors la taille de la planète et l’inclinaison de l’orbite.

En combinant ces deux méthodes, “nous obtenons la masse et le rayon, précise Xavier Bonfils, nous pouvons alors mesurer la densité qui nous permet d’estimer si l’exoplanète est rocheuse ou gazeuse”. 

Connaître la composition de son atmosphère

Mais qu’en est-il de l’identification de son atmosphère ? “On peut à nouveau utiliser la méthode des transits, répond le chercheur. Si la planète a une atmosphère, cette pellicule de gaz fait apparaître le disque légèrement plus grand. Nous mesurons donc la profondeur de transit [variation relative de la luminosité apparente de l’étoile du fait du transit, NDLR], selon différentes longueurs d’onde, et si celle-ci varie, cela signifie que la planète a une atmosphère – qui doit être transparente à certaines longueurs d’onde et opaque à d’autres”. 

C’est cette même méthode qui permet de déterminer la composition de l’atmosphère ! En effet, les composés chimiques absorbent la lumière à des longueurs d’onde spécifiques. C’est ainsi que l’on peut par exemple repérer la signature de l’eau dans une exoplanète. Cependant, tempère Xavier Bonfils : “Nous n’avons réussi à détecter de la vapeur d’eau en utilisant cette méthode que sur des exoplanètes qui font plusieurs fois la taille de la Terre, comme des géantes gazeuses et des planètes aussi grandes que Neptune. La plus petite exoplanète sur laquelle ça a marché est K2-18b, découverte il y a quelques mois, qui a un rayon faisant deux fois et demi celui de la Terre. Mais cette eau détectée ne peut se trouver que sous forme d’un type particulier de glace, l’atmosphère étant tellement épaisse qu’elle doit exercer une très grande pression”. 

Vers une meilleure détection

L’Observatoire européen austral est en train de construire, dans le désert de l’Atacama au Chili, un télescope dont le miroir primaire fera 39 mètres de diamètre : le Télescope géant européen. Avec sa puissante résolution angulaire, il permettra de séparer la planète de son étoile et en capturer des images. “Pourront ainsi être détectées les exoterres tempérées et habitables qui gravitent autour d’étoiles vraiment proches, précise l’astrophysicien. Ce télescope sera équipé de plusieurs instruments dont un qui permettra d’isoler la lumière de la planète de celle de son étoile. Nous pourrons alors plus facilement analyser la lumière dans son atmosphère et, en fonction de son spectre de couleurs, savoir d’une part si les variations spectrales sont indicatrices de signatures de la vie – comme l’eau – et d’autre part remonter à la composition chimique de l’atmosphère”. L’entrée en service de ce télescope est prévue pour 2024.