09 février 2006
Comment transformer les exoplanètes en stars.

Pour la première fois, on a découvert une exoplanète que l’on peut qualifier de « grande sœur » de la Terre. Les médias se sont faits l’écho à juste titre de cette grande première due à la collaboration internationale « Planet ». Cependant cette découverte n’est pas seulement remarquable par son contenu, mais aussi par la nouveauté de la méthode utilisée, celle des micro-lentilles gravitationnelles. Cette approche est aujourd’hui la seule qui promette de découvrir des planètes similaires à la Terre.

 
Comment transformer les exoplanètes en stars.

Galaxie M100 comparable à notre Voie lactée (crédit ESO)

Toutes les étoiles de notre Galaxie tournent autour de son centre ; notre Soleil, par exemple, met environ 200 millions d’années pour en faire le tour. Elles se déplacent dans le ciel mais leurs mouvements sont imperceptibles à l’échelle d’une vie humaine. Comme les étoiles de notre Galaxie sont très nombreuses (près de mille milliards), à tout instant, environ une étoile sur un million passe devant une autre étoile.

Lorsque ces rares alignements se produisent, ils donnent lieu à un phénomène dit de lentille gravitationnelle. L’étoile la plus proche sert de « loupe » en concentrant la lumière de l’étoile lointaine au lieu de faire écran comme on s’y attendrait classiquement : on la qualifie alors de microlentille. Pour l’observateur, tout se passe comme si la luminosité de l’étoile lointaine augmentait au fur et à mesure que la lentille s’en rapproche dans le ciel, puis décroissait quand elle s’en éloigne (voir figure 1).

 
Comment transformer les exoplanètes en stars.

Figure 1 : Lorsqu’une étoile peu brillante (ici en mauve) s’interpose entre une étoile lointaine (en jaune) et le télescope terrestre, elle peut concentrer la lumière de l’étoile lointaine. Il y a alors formation de deux images, tellement proches que l’observateur terrestre ne peut les séparer. A cause de ce phénomène, on reçoit plus de lumière de l’étoile lointaine. La courbe de droite représente la variation de la lumière reçue de l’étoile sur plusieurs mois.

Vu la rareté des microlentilles, il faut, pour en observer quelques-unes, surveiller des dizaines, voire des centaines de millions d’étoiles. Cela conduit les observateurs à se focaliser sur le centre de notre Galaxie, une zone appelée le bulbe, où la densité d’étoiles est importante. Quand une étoile ordinaire de la Voie Lactée (une naine rouge) passe devant une étoile du bulbe, la luminosité apparente de cette dernière varie sur environ deux mois. L’objectif des observateurs est de mesurer ces variations de luminosité pour de nombreuses microlentilles. En comparant les mesures avec des prédictions obtenues à partir de nos modèles de la distribution des étoiles dans la Voie lactée, on vérifie que ces modèles sont de bonne qualité.

Parfois les étoiles sont accompagnées d’une planète et celle-ci peut contribuer notablement aux variations de luminosité. Cela ne se produit pas à tout coup : il faut en plus que la trajectoire relative de la lentille et de l’étoile du bulbe passe par certains points favorables (voir figure 2), ce qui fait intervenir une dose de hasard. Les observateurs contournent ce hasard en observant de nombreuses microlentilles. Finalement, la présence de la planète se traduit par une petite excursion dans la variation de luminosité, d’autant plus courte et moins intense que la planète est petite (respectivement 10 heures et 20 % pour la découverte récente, voir figure 3). C’est la petite taille de cette excursion qui guide la stratégie des observations.

 
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Figure 2 : Une cartographie de la capacité d’amplification des microlentilles. En haut une étoile seule, en bas la lentille est une étoile accompagnée d’une petite planète. La présence de la planète se traduit par une zone de l’espace en forme de carreau où la lumière reçue de l’étoile lointaine est notablement accrue. (Merci à A. Cassan de l’IAP Paris)

Pour détecter un tel phénomène, une bonne coordination est indispensable. Tout d’abord, un groupe, dit « d’alerte », doit surveiller des dizaines de millions d’étoiles et être capable de détecter les phénomènes de microlentille dès leur début. C’est le rôle joué par la collaboration polonaise Ogle, qui repère et annonce 500 phénomènes de microlentille par an, dont plus d’une centaine sont en cours à tout moment. Parmi cette centaine, d’autres groupes « de suivi » doivent savoir faire de bons choix : quelles microlentilles en cours sont les plus susceptibles de révéler la présence de nouvelles planètes ? Ces groupes de suivi doivent impérativement disposer de télescopes répartis tout autour de la Terre, car un phénomène de 10 heures ne peut être suivi que par un observatoire où il fait nuit au bon moment. Le groupe Planet, auteur de la découverte, dispose de télescopes au Chili, en Australie et en Afrique du Sud.

 
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Figure 3 : Le système de lentille double étoile (mauve) + planète (noir) peut fabriquer jusqu’à 5 images de l’étoile lointaine. Ce passage se traduit par la petite bosse secondaire observée dans les variations de luminosité sur la courbe de droite (flèche rouge). De nombreux calculs sont encore nécessaires pour estimer la masse de la planète.

Si une observation est fructueuse, il faut encore se convaincre que la petite perturbation repérée dans la variation de luminosité est bien due à une planète en orbite autour de l’étoile-lentille, et pas à une étoile double par exemple. Pour cela, on recourt à de lourdes simulations permettant d’associer un ou plusieurs types de système planétaire plausible avec la courbe de variation lumineuse mesurée. Cette première recherche systématique peut fournir plusieurs solutions. Il faut alors d’autres calculs plus fins et une bonne dose de flair des chercheurs pour réussir, si c’est possible, à sélectionner la meilleure solution. Meilleures ont été les observations, plus facile cela sera. Et l’on n’aura confiance dans le résultat que s’il est obtenu indépendamment par plusieurs programmes informatiques. Le calcul de la masse de la planète peut alors débuter ; il ne fournit pas une valeur précise même quand les observations sont irréprochables. Dans le cas présent, la masse de la planète est probablement comprise entre 3 et 11 fois celle de la Terre, avec une valeur favorisée à 5,5 (c’est ce chiffre qui a été rapporté dans la presse).

 
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Région de la galaxie où l'exoplanète à été répérée.

Trouver une exoplanète ne doit rien au hasard (la collaboration Planet observe depuis 1997) mais réclame un peu de chance. Il faut une étoile lointaine suffisamment brillante pour des mesures précises, tout en n’étant pas trop grande (l’anomalie est d’autant plus petite que le diamètre de l’étoile est grand) ; une planète suffisamment petite pour qu’on puisse parler de découverte, mais pas trop car il faut bien observer l’anomalie ; une trajectoire bien ajustée de l’étoile-lentille ; et enfin une bonne météo au bon moment.

Mais cette persévérance n’est peut-être pas le seul facteur. A ce jour, 170 planètes extra-solaires ont été découvertes, dont seulement 3 par la technique des micro-lentilles. Sur ces 170 planètes, une seule a des caractéristiques la rapprochant de la Terre. Or, quelle que soit la technique utilisée, il est toujours plus difficile d’identifier une telle planète « tellurique » qu’une planète gazeuse géante (telle que Jupiter). Le fait qu’elle ait été détectée via le phénomène de micro-lentille est peut-être un simple hasard … à moins que cette technique ne soit la première à obtenir la sensibilité suffisante pour détecter des planètes telluriques. Si c’est le cas, ces planètes pourraient bien être plus nombreuses que les planètes géantes gazeuses, et Planet pourrait avoir effleuré le sommet de l’iceberg. C’est d’ailleurs ce que prévoient des calculs récents sur la formation de systèmes planétaires autour des étoiles « tout venant » de la Galaxie, les naines rouges. 

Ce très beau résultat de recherche astrophysique est aussi l’illustration d’une certaine perméabilité des frontières entre disciplines. En effet l’utilisation du phénomène de microlentille a d’abord été exploité par les physiciens des particules à la recherche de la matière non lumineuse de notre Univers : la matière noire. C’est sa participation à l’une de ces expérience (Eros) qui a donné l’occasion à Christian Coutures, physicien des particules du Dapnia et chercheur associé à l’institut d’astrophysique de Paris (IAP), d’intégrer la collaboration Planet.

 

Contacts :
Christian COUTURES
Alain MILSZTAJN

Pour en savoir plus : Discovery of a cool planet of 5.5 Earth masses through gravitational microlensing". J.-P. Beaulieu et al, Nature 26/01/06

Site de la collaboration Planet
Institut d'Astrophysique de Paris
Laboratoire d'Astrophysique de Toulouse et Tarbes

 

Maj : 09/02/2006 (899)

 

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