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Grand enthousiasme pour les petites étoiles

TRAPPIST-1 est le nom de l’étoile autour de laquelle tournent sept planètes – et de nombreux projets de recherche en cours. Les étoiles naines froides sont à la mode lorsqu’il s’agit de chercher des planètes qui ressemblent à la Terre et qui sont propices à la vie. Les équipes de PlanetS sont parmi les leaders mondiaux dans ce domaine de recherche.

Le système planétaire TRAPPIST-1 encourage les fantasmes de science-fiction. (Illustration NASA-JPL/Caltech)

Brice-Olivier Demory est enthousiaste, “avec notre expertise ici à l’Université de Berne, nous pouvons étudier des aspects du système TRAPPIST-1 que peu d’autres groupes de recherche en Europe sont capables de faire”. Le professeur au « Center for Space and Habitability » (CSH) est un codécouvreur du système planétaire situé à 40 années-lumière. En fait, ce que les astronomes veulent vraiment découvrir, c’est une planète identique à la Terre, en orbite autour d’une étoile comme notre soleil, à la même distance que notre planète et sur laquelle des indications de vie peuvent être identifiées. Mais ce n’est pas possible avec les instruments d’aujourd’hui, une alternative est donc d’observer de petites étoiles comme TRAPPIST-1, autour desquelles il est plus facile de détecter de petites planètes semblables à la Terre.

“Les planètes de TRAPPIST-1 sont actuellement nos meilleurs candidates pour avoir des conditions semblables à celles de la Terre et être favorables à la vie en dehors de notre système solaire “, dit Brice-Olivier Demory. L’étoile elle-même est environ dix fois plus petite que le Soleil et sa température de surface est beaucoup plus bassej. C’est pourquoi elle est considérée comme une naine rouge ultra froide. Les sept planètes de la taille de la Terre qui l’entourent ont été découvertes parce qu’elles passent juste devant l’étoile et l’obscurcissent légèrement. Ces transits révèlent l’existence et la taille des planètes. Comme l’étoile ne rayonne que faiblement, les planètes ont une température de surface modérée, bien qu’elles soient très proches de l’étoile, et peuvent donc être observées, malgré leur petite taille.

Le voyage de la découverte a commencé en avril 2007.  Brice-Olivier Demory, qui a fait son doctorat à l’Université de Genève, s’est rendu à l’Observatoire de Saint-Luc au dessus de Nendaz avec Michaël Gillon, un postdoc belge. “Nous avons mangé une fondue, nous avons eu une discussion et le télescope a été réglé pour observer automatiquement la nain rouge Gliese 436 “, se souvient Demory. “Quand nous sommes allés consulter l’ordinateur, à la fin de la nuit, nous avons pu voir un transit dans les données”. D’autres recherches ont montré que l’objet n’a que la taille de Neptune, soit la plus petite planète qui avait été précédemment observée en utilisant la méthode de transit. L’étoile Gliese 436 fait environ la moitié de la taille du soleil.

Le succès obtenu sur ces montagnes valaisannes a motivé Michaël Gillon à regarder des étoiles encore plus petites à la recherche de planètes encore plus petites. Avec un télescope appelé TRAPPIST, installé au Chili et spécialement construit à cette fin, une équipe sous sa direction a découvert trois planètes de la taille de la Terre en orbite autour d’une naine rouge. L’étoile a évidemment été nommée TRAPPIST-1. Plus tard, le télescope spatial Spitzer de la NASA a localisé quatre autres planètes. “Avant TRAPPIST-1, personne ne croyait que l’on pouvait trouver ce genre de planète autour de telles étoiles “, explique Brice-Olivier Demory : “Nous avons ouvert une nouvelle porte à la recherche des exoplanètes.”. Les chercheurs sont maintenant convaincus qu’ils trouveront bientôt de nombreuses planètes semblables à la Terre, autour d’autres étoiles ultra froides.

Nouveau télescope au Mexique

Sous la direction de Brice-Olivier Demory, un nouveau télescope au Mexique cherchera des objets similaires dans le ciel de l’hémisphère nord, cet automne. Le projet de 1,3 million de francs suisses a été financé par le CSH de l’Université de Berne, le Pôle de recherche national (PRN) PlanetS et les universités de Cambridge et de Genève. Géré en collaboration avec l’Universidad Nacional Autónoma mexicaine ce nouveau projet s’appelle “Saint-Ex”, ce qui signifie officiellement “Search and chActerIsatioN of Transiting Exoplanets”. Aviateur passionné, Demory fait avant tout référence à l’écrivain et pilote Antoine de Saint-Exupéry. L’équipe Saint-Ex du CSH a développé le logiciel pour le fonctionnement scientifique du télescope automatique, qui peut être commandé à distance depuis l’Université de Berne.

Un autre projet estampillé exoplanète bénéficiera des observations du télescope Saint-Ex. Le télescope spatial CHEOPS a été développé et assemblé à l’Université de Berne au cours des cinq dernières années, il sera également dédié à l’observation des transits. Le lancement de la mission sous la direction conjointe de la Suisse et de l’Agence spatiale européenne (ESA) est prévu pour 2019. “Saint-Ex peut présélectionner les cibles de CHEOPS et ainsi nous assurer que nous utilisons le satellite de manière raisonnable et sans perdre de temps sur des choses que nous pouvons faire à partir du sol “, explique Brice-Oliver Demory.

CHEOPS sera utilisé pour observer des étoiles déjà connues pour être hôtes d’exoplanètes. Les détails que l’on peut vérifier par le biais des transits sont étonnants. Les investigations du système TRAPPIST-1 en sont la preuve. Par exemple, Simon Grimm du CSH a réussi à calculer les masses des sept planètes. Bien que la taille d’une planète puisse être dérivée relativement directement de la diminution de la luminosité des étoiles pendant son transit, la détermination de la masse est beaucoup plus compliquée. Théoriquement, ceci peut être calculé à partir des déviations d’orbite, car les planètes interfèrent les unes avec les autres. Cela semblait pratiquement impossible pour un système planétaire aussi compact que TRAPPIST-1, jusqu’à ce que Simon Grimm se mette à travailler avec un code informatique qu’il a développé lui-même. Alors que les codes des autres équipes de recherche se sont avérés trop lents, le scientifique du CSH a pu résoudre le problème des 35 dimensions et déterminer la masse des planètes TRAPPIST-1 avec une précision allant jusqu’à 10 %.

“Si vous connaissez la taille et la masse des planètes, vous pouvez calculer leur densité “, explique Simon Grimm. L’équipe a découvert que toutes les planètes de TRAPPIST-1 sont principalement constituées de roches. La quatrième planète ressemble le plus à la Terre, en termes de taille, de densité et de quantité de rayonnement qu’elle reçoit de son étoile. Il pourrait aussi y avoir de l’eau sous forme liquide à sa surface, ce qui est nécessaire à la vie telle que nous la connaissons.

Discussion animée entre théoriciens

Selon les calculs, certaines des planètes de TRAPPIST-1 contiennent jusqu’à cinq pour cent d’eau – un résultat qui cause actuellement plus qu’une petite inquiétude parmi les théoriciens du CSH et du NCCR PlanetS. “Dans nos simulations informatiques, les planètes en orbite autour de ces étoiles naines froides n’ont soit pas d’eau du tout, soit une teneur en eau beaucoup plus élevée de 20 à 30 % “, explique Yann Alibert, professeur d’astrophysique à l’Université de Berne. “Cependant, nous sommes capables de reproduire d’autres propriétés du système dans le modèle avec peu de problèmes, comme la taille des planètes par exemple.” Lors d’une de leurs réunions régulières, Alibert et quatre autres scientifiques du CSH et du PRN PlanetS se sont rencontrés dans une salle de conférence (un chercheur était venu de Zurich, tandis qu’un autre collègue de Heidelberg participait à la réunion via Skype). À l’aide de graphiques en couleur, les astrophysiciens ont montré comment les planètes sont formées dans leurs modèles à partir d’un disque de gaz et de poussière au cours des premiers millions d’années. “Tout le monde essaie d’expliquer comment le système TRAPPIST-1 fonctionne avec une approche légèrement différente “, explique Yann Alibert. Maintenant, le groupe veut savoir quelles sont les conséquences des différents scénarios et comment les tester.

Les chercheurs s’intéressent particulièrement à l’atmosphère des exoplanètes, car c’est là qu’ils sont susceptibles de trouver des traces de vie. Kevin Heng, directeur du CSH, spécialiste des atmosphères exoplanétaires, a reçu une subvention de deux millions d’euros du Conseil européen de la recherche pour un nouveau projet. “L’étude tourne autour de petites planètes en orbite autour de petites étoiles et est donc appelée EXOCLEIN “, explique Kevin Heng.  “Si vous trouvez beaucoup plus d’exoplanètes de ce genre, la question se pose naturellement de savoir si elles sont habitables, ce qui n’est pas du tout évident.” Même si les planètes ressemblent en taille et en masse à la Terre, leurs étoiles mères sont clairement différentes du Soleil. Les naines rouges ne sont pas seulement plus petites et plus froides, elles sont aussi plus actives dans la gamme des ultraviolets. “Il y a des différences importantes entre le système de Trappist 1 et notre système “, explique Kevin Heng : ” Le but du projet EXOKLEIN est de comprendre les effets de ces différences sur les atmosphères planétaires et donc de comprendre l’ensemble du système. Ce ne sera qu’après que les bio-signatures pourront être correctement détectées dans l’atmosphère ».

Avec le télescope spatial James Webb, qui sera lancé en 2020 comme successeur du télescope spatial Hubble, il sera possible d’observer l’atmosphère de petites planètes en orbite autour d’étoiles naines rouges. “Ce sera difficile, mais on ne peut pas l’exclure “, considère Brice-Olivier Demory. Mais pour le moment, il attend avec impatience la mise en service prochaine du télescope au Mexique et le lancement du télescope spatial CHEOPS.

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