Mise à jour le 25 Avril 2018
CONFÉRENCE de Jean
Pierre MARTIN,
Physicien, Pdt
commission cosmologie de la SAF.
Organisée par « Terre
des Sciences » avec « Ciel d’Anjou » et
le club d’astronomie « Curiosity »
de l’ESEO à l’ESEO
d’Angers
«PLANÈTES EXTRA
SOLAIRES ET TERRES HABITABLES »
Le Mercredi 18 Avril
2018
Photos : JPM ou autre pour l'ambiance. (Les photos avec plus de
résolution peuvent
m'être demandées
directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir
les crédits des autres photos si nécessaire
La présentation (avec toutes les vidéos) est disponible sur
ma liaison ftp , rentrer le mot de passe puis CONFÉRENCES JPM; elle
s’appelle : LES EXOPLANETES-2018.zip
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me
contacter avant.
Une vidéo de la conférence englobant les slides a été produite. (https://youtu.be/b8-UJqdvrbk
)
BREF COMPTE RENDU
Merci à mes amis Angevins de m’avoir invité dans ce superbe amphi
de l’ESEO (École Supérieure d’Électronique de l’Ouest) avec un nombreux public
pour un sujet qui doit intéresser tout le monde : sommes-nous seuls dans
l’Univers ?
Jean Pierre Jandot médiateur à
Terre des Sciences (à droite sur l’image)
Un impressionnant arsenal technique pour la retransmission des
slides sur écran et aussi sur Internet en même temps que la retransmission de la
conférence elle-même.
Bravo à l’organisation.
Nous allons nous attacher à définir les critères de ce que l’on
appelle « la Vie » et de voir où celle-ci pourrait exister ou avoir existé à la
fois dans notre système solaire et en dehors, au niveau des planètes extra
solaires.
Nous définirons aussi les différentes méthodes de détection de
ces planètes.
Nous vivons dans une Galaxie qui contient au moins 200 milliards
d’étoiles On pense qu’il y a aussi au moins 1000 milliards de galaxies dans
l’Univers connu
Alors, il n’est pas absurde de se poser la question : Y-a-t-il
d’autres planètes autour d’autres étoiles?
Y-a-t-il des planètes comme la Terre? Ou alors, sommes-nous une
exception?
La vie
telle qu’on la connaît est-elle un accident ou est-elle générale dans
l’univers ?
Un auditoire bien
attentif !
La présentation complète est disponible au téléchargement aussi,
je ne ferai qu’un court compte rendu que je reprends en partie d’une ancienne
présentation.
(Je m’inspire de comptes rendus précédents d’une présentation
similaire)
QU’EST CE QUE LA VIE ?
La vie
est-elle un phénomène banal ou exceptionnel ?
Mais c’est
quoi la vie ? Basée sur notre expérience terrestre elle nécessiterait au moins:
·
Une source
d’énergie (étoile ?) permettant le développement
·
Un champ
magnétique protecteur de radiations
·
Un liquide
excellent solvant (eau??)
·
Du temps pour
permettre l’évolution
·
Certains
ingrédients (C, H, O…) et nous sommes donc tous des
CHNOPS (Carbone,
Hydrogène, Azote, Oxygène, Phosphore, Soufre) tous ces ingrédients qui nous
sont nécessaires.
La vie aurait
pour conséquence : La reproduction (auto réplication), la création de molécules
complexes et elle est capable d’évolution, la vie est créative
Avant de nous
intéresser aux planètes situées hors de notre système solaire, recherchons les
mondes de notre propre système solaire qui pourraient abriter la vie
·
On vient de
mettre au jour des geysers d’eau chaude s’échappant de Cérès le plus gros
astéroïde de la ceinture d’astéroïdes, un océan d’eau liquide se trouve
probablement sus la surface.
·
On sait que
Mars a été chaude et humide dans le passé. A-t-elle démarré une forme de vie et
peut-on en trouver des restes?
·
Dans le
système de Jupiter, on pense très fortement qu’Europe contient un immense océan
d’eau (salée!) sous sa croûte de glace. Des bactéries ou autres y vivent elles?
·
Plus loin,
autour de Saturne, on sait qu’Encelade émet des geysers de glace contenant du
sel et des organiques
·
De même,
Titan le très gros satellite de Saturne est couvert de lacs de méthane, qu’y
a-t-il au fond de ces lacs?
Pourquoi
est-il important de savoir si la vie a existé dans notre système solaire (et
notamment sur Mars)?
Car, si c’est le cas, la vie devrait être alors un évènement fréquent dans
l’Univers
Sinon, il s’est passé peut être quelque chose de particulier sur Terre, que
nous n’avons pas encore identifié.
|
|
Mars désert glacé, la vie n’est plus possible, mais
dans le passé ??? |
La surface d’Europe Ressemble à des icebergs ou à une
banquise. Crevasses causées par les forces de marée. Un océan se
trouve sous la couche de glace |
|
|
Le pôle S d’Encelade comporte des fissures qui
émettent des geysers d’eau salée et autres composants. Un océan
interne est aussi présent |
La surface de Titan est couverte de nombreux lacs de
méthane qu’il faudrait explorer. On pense aussi à l’existence d’un
océan interne |
Sortons
du système solaire maintenant.
Sommes-nous seuls dans l’Univers?
Existe-t-il une sœur jumelle de la Terre quelque part?
Les premières étoiles proches sont quand même…… loin!! (Proxima :
4,2 al)
Alors comment chercher?
Peut-on envisager d’évaluer la quantité de corps pouvant abriter
la vie dans notre galaxie?
Quelqu’un l’a fait Frank Drake
Mais,
en fait cette « formule » doit être encore plus réduite, car la vie complexe
doit, en plus, posséder d’autres propriétés comme :
Une tectonique des plaques servant à recycler l’énergie
La présence d’une planète géante protégeant les planètes (comme
Jupiter/Terre)
Lien entre composition de l’étoile en matériaux lourds et la
planète
La planète doit avoir la bonne taille, on pense que ce devrait
être entre 1/3 et 10 Terres; Mars est trop petite mais au bon endroit, Vénus a
la bonne taille mais au mauvais endroit
Probablement une zone favorable galactique aussi dans la galaxie,
pas trop près du centre, pas trop loin aussi
Cela devrait modifier cette fameuse formule pour rendre
le résultat plus faible,
qui pourrait être :
AU MOINS UNE! (nous !)
La notion
de zone habitable.
Mais qu’a donc la Terre de si particulier et d’unique dans le
système solaire?
De l’EAU
sous ses trois formes physiques : solide (glace), liquide et gazeuse
(vapeur d’eau) Mais pourquoi l’eau est-elle si importante? Elle diffuse
facilement à travers les membranes des cellules, c’est un solvant parfait.
Elle possède une forte chaleur spécifique et peut stocker de
grandes quantités de chaleur sur une planète, elle amortit ainsi les variations
climatiques
La glace est moins dense que l’eau : elle flotte sur l’eau ce qui
est fondamental: cela protège les organismes sous la glace, des basses
températures
On pense donc que l’eau est nécessaire à la vie telle que nous la
connaissons.
Il faut donc rechercher des planètes qui peuvent abriter de l’eau
sous ses trois formes.
Cela n’est possible autour d’une étoile que dans une petite zone
: la zone habitable,
ni trop chaude ni trop froide!
En deçà, l’eau est sous forme de vapeur ou totalement absente,
au-delà, l’eau est sous forme de glace.
On voit ici la zone habitable (en vert) pour différents types
d’étoiles. Moins l’étoile est brillante plus la zone se rapproche de l’étoile.
À priori pour le moment, la vie telle qu’on l’entend est basée
sur la chimie du Carbone en solution dans l’eau liquide.
Donc rechercher la vie, c’est d’abord rechercher l’eau
(sous-entendu liquide).
Si l’eau est indispensable à la vie, il semble bien que le
carbone joue aussi un rôle primordial, pourquoi ?
Le
Carbone est tétravalent (il a 4 bras) permettant tous les arrangements
possibles avec d'autres atomes et notamment une chimie organique complexe, base
de l'évolution.
Quelles qualités doit avoir une planète pour abriter la vie?
Qu'est ce qui caractérise notre planète?
Il ne suffit pas d’avoir une atmosphère, il faut pouvoir la
garder. (Voir Mars)
Voici
présentée une comparaison de spectres IR des atmosphères des planètes Vénus,
Terre et Mars;
Que remarque-t-on?
Il y a pour notre planète une raie caractéristique, celles de
l’Oxygène et de l’eau dans l’atmosphère ; résultat de la vie et qui donc semble
être un traceur de cette vie.
C'est peut être cette raie là qu'il faut chercher dans l'espace.
Comment peut-on faire pour effectuer de telles mesures?
Il faut donc être capable d'analyser les atmosphères des planètes
extra solaires, c'est le but de ces nouvelles missions
À LA
RECHERCHE D’EXOPLANÈTES.
Une planète, par définition n’émet pas de lumière, elle réfléchit
la lumière de son étoile
Sa luminosité est très faible, donc pas facilement détectable à
distance.
Par exemple Jupiter ne réfléchit qu’un milliardième (10-9)
de la lumière du Soleil.
On se heurte donc à deux difficultés majeures :
Une séparation angulaire très faible et un contraste en
luminosité énorme.
En dehors de l’imagerie directe (qui progresse), il existe
d’autres méthodes de détection : Méthode des vitesses radiales (vélocimétrie,
effet Doppler, spectroscopie) ; Méthode du transit planétaire (la plus courante)
et Méthode des lentilles gravitationnelles (plus récente).
Les vitesses
radiales.
En fait quand on dit qu'une planète tourne autour de son étoile,
c'est faux, la planète et l'étoile tournent autour de LEUR CENTRE DE MASSE
COMMUN.
Il s'en suit un mouvement (plus ou moins important suivant les
rapports de masse) de l'étoile devant le fond du ciel; c'est ce plus ou moins
petit mouvement qu'on essaie de détecter.
C’est cette variation très faible de vitesse que l’on détecte.
C'est grâce à cette méthode que la première planète extra solaire
a été trouvée par M Mayor et D Queloz de l'Observatoire de Genève avec
le spectrographe ELODIE de l'Observatoire de Haute Provence (OHP).
C'est la planète baptisée 51 Peg b, tournant autour de l'étoile
51 Peg et située à 42 années-lumière de nous.
Ils ont mesuré aussi la distance à l'étoile : surprise aussi,
elle est très près : 0,04UA et de masse 0,5 celle de Jupiter et température
évaluée à 1300K.
Cette découverte remet en cause ce que l’on pensait de la
formation des systèmes solaires, en effet on venait de découvrir une planète
géante très proche de son étoile, alors qu’on pensait que ce type de planètes
(comme Jupiter) se trouvait beaucoup plus loin.
On les appela des Jupiters chauds
La méthode du
Transit.
C’est une méthode photométrique, basée sur la détection de
variations de luminosité de l’étoile lors du passage de (ou des) la planète
devant celle-ci (équivalent à une éclipse)
Cela ne concerne uniquement les systèmes observés par la tranche,
pour lesquels les planètes peuvent occulter partiellement leur étoile centrale
La baisse de flux lumineux est très faible
(1% dans le cas de
Jupiter, Terre 0,01%), il faut un outil de qualité et observer pendant au moins
une période en continu, cela signifie :
Clic sur l’image !
Il vaut mieux être dans l’espace pour détecter 24h/24 et
s’affranchir de la turbulence
Le transit planétaire est une méthode peu efficace.
Pour une étoile donnée, la probabilité d’observer un transit est
très faible (moins de 1%) =>
Il faut observer des millions d’étoiles pour un bon rendement !
La durée du transit est généralement très faible par rapport à la
période de la planète, il faut être là au bon moment
Mais la profondeur du transit donne aussi des informations sur la
taille de la planète
Les
microlentilles gravitationnelles.
L’effet micro lentille, est basé sur la variation de lumière d'un
objet source (une étoile, une galaxie, un amas de galaxies) devant laquelle
passe une masse importante, une autre étoile avec une planète par exemple,
suivant ce qu'avait prédit le génial Albert Einstein avec ses lois de la
relativité..
L'étoile proche focalise la lumière de l'étoile lointaine (comme
une lentille) ce qui crée une augmentation de la luminosité
En effet suivant la position de la source et de l'objet lentille
on voit des formes différentes
On ne parlera pas de cette méthode ce soir.
La révolution
Kepler.
Le 6 Mars 2009 dans la nuit, a décollé de Cap Canaveral en
Floride à bord d'une fusée Delta, la mission de la NASA pour découvrir de
nouvelles exoplanètes : la mission Kepler.
C'est la première mission d'envergure de la NASA pour détecter
des planètes de type terrestres, c'est à dire situées à la bonne distance de
leur étoile, dans ce que l'on appelle la zone habitable, région où l'on peut
trouver l'eau sous ses trois formes : liquide, solide et gazeuse.
Précision de mesure : 20ppm, 4 fois moins que le transit de la
terre! Il devrait voir les objets de magnitude entre 9 et 16.
Plus de 200.000 étoiles de type solaires devraient être scrutées
pendant la période initiale de 3 ans.
L’idée de Kepler :
examiner toujours la
même zone du ciel et détecter les infimes variations de luminosité de
transits devant une étoile. Son champ d’action :
200.000 étoiles!
Il couvre 1/400 du ciel
Photomètre de 95cm d’ouverture équipé d’un miroir de 1,4m et de
détecteurs CCD.
Ce sera le plus grand capteur CCD lancé dans l'espace : 95
millions de pixels!
Kepler dès sa mise en service découvre de nombreuses exoplanètes
(plusieurs milliers)
Examinons quelques-unes de ces réussites récentes (je ne
prendrais que quelques exemples, voir le ppt).
Kepler 47 :
Kepler-47b et 47c, qui sont des planètes orbitant un système de deux étoiles,
mais ce qui est intéressant est le fait qu’une de ces planètes se trouverait
dans la zone habitable (où l’eau liquide pourrait exister) de ce système
binaire.
Serait-ce la fameuse planète Tatooine de Star Wars ??
Cette découverte est intéressante, dans le sens que l’on pensait
jusqu’à présent que des planètes auraient du mal à se former autour d’étoiles
binaires, mais Kepler 47 semble nous prouver le contraire.
De nouvelles annonces de la NASA nous font miroiter peut être
enfin le jackpot ; des petites planètes extra solaires situées dans la zone
habitable de leur étoile.
C’est ce qui vient de se passer avec la découverte de deux
systèmes planétaires qui comprennent des « super Terres » dans des zones
habitables.
Tout d’abord, le système
Kepler 62, (naine
rouge) qui possède 5 planètes (numérotées comme le veut la tradition 62
b,c,d,e,f) et
Le système
Kepler 69 à deux planètes (69b et 69c). c’est une étoile type Soleil.
La NASA vient d’annoncer officiellement (Juin
2017) que le télescope spatial Kepler dédié aux exoplanètes (et qui est
en mode dégradé depuis 2013) a permis de confirmer la découverte de 2335
nouvelles planètes extra solaires.
Cela multiplie par deux le nombre de planètes déjà découvertes et
confirmées par Kepler. Voir le graphique page suivante.
Ce compte a été effectué pendant cette dernière année de
fonctionnement de la sonde.
Kepler a détecté parmi ces 200.000 étoiles, 34.000 signaux qui
ont amené à déclarer ces 4000 planètes candidats.
Parmi les plus de 4000 candidats, on en a confirmé ces 2335 comme
étant des « exoplanètes » à 99%
Près de 500 pourraient être des planètes rocheuses, certaines
(une vingtaine) pourraient même être situées dans la zone habitable de leur
étoile. 50 seraient de
la taille terrestre.
L’importance de Kepler :
On voit clairement sur ce graphique toute la richesse apportée
par Kepler (points jaunes) par rapport aux méthodes conventionnelles.
Enfin une exoplanète de la classe terrestre elle aurait des
caractéristiques proches de notre bonne vieille Terre.
Elle est dans le système de l’étoile
Kepler 186, située à
près de 500 années-lumière de nous. Période 130 jours.
Il y a au moins 5 planètes autour de cette étoile qui est par
ailleurs différente de notre Soleil, c’est une naine rouge (étoile classe M,
très courante), moins chaude (1/3 luminosité du Soleil) et plus petite que lui.
C’est en fait la dernière planète qui nous intéresse, elle
s’appelle tout naturellement Kepler 186f
Kepler 186f est un peu plus grande que la Terre (de 10%) et est
très certainement rocheuse, ce qui justifie l’émoi des scientifiques et
journalistes
Mais le clou c’est autour de
Kepler 452 , la
planète, d'un rayon 60 % plus grand que celui de la Terre, orbite en 385 jours
autour de son étoile, Kepler-452, située à environ 1400 al de la Terre, dans la
constellation du Cygne. Elle est dans la zone habitable
Elle est aussi un peu plus âgée, 6 milliards d’années au lieu des
4,5 pour nous.
Son soleil (Kepler 452-a étoile jaune comme notre Soleil ) est
20% plus brillant que le nôtre et a un diamètre 10% plus grand.
La planète se trouve dans la zone habitable de son étoile, à une
distance 5 % plus grande de cette dernière que la Terre ne l'est du Soleil. Elle
est probablement rocheuse
La découverte de Kepler-452 b, dont l'existence a été confirmée
par des mesures au sol, est annoncée par la NASA le 23 juillet 2015
Toutes les découvertes de Kepler
en une animation.
Il n’y a pas que Kepler, depuis la Terre on découvre aussi des
exoplanètes.
L’observatoire
TRAPPIST, c’est
l'acronyme de TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope, petit
télescope dédié aux transits planétaires et aux planétésimaux
Ce télescope, installé sur le site de La Silla de l'ESO au Chili;
est un télescope automatique de 60cm dédié aux exoplanètes (transits). Il est
commandé à partir de Liège.
Il a découvert cette année
SEPT planètes
telluriques potentiellement habitables dans notre arrière-cour à 40 al.
Trois d’entre elles sont dans la zone habitable au moins (e, f et
g), peut-être même 4 (d, e, f et g). Elles sont toutes très proches de l’étoile,
bien plus proche que Mercure ne l’est du Soleil.
Mais on ne peut pas parler d’exoplanètes sans parler de la
découverte de l’année : l’exoplanète la plus proche de nous (4,2al), dans le
système d’Alpha Centauri
: Proxima b !
La particularité de cette exoplanète, est qu’elle orbite une
naine rouge (étoile de type M, soleil beaucoup plus froid et plus petit que le
nôtre).
On a aussi déterminé que cette nouvelle planète est au moins 1,3
fois plus massive que la Terre et qu’elle orbite son étoile de très près, en en
faisant le tour en 11,2 jours.
Elle est quand même située dans la zone habitable car la naine
rouge est beaucoup moins lumineuse que notre Soleil.
Et pour clore la série (provisoirement) :
Cela fait longtemps que l’on connaît l’étoile proche
Epsilon Eridani (une
jeune naine orange, un peu moins puissante que notre Soleil) située dans notre
environnement très proche à 10 années-lumière.
En effet elle fut une des premières cibles du programme SETI
lorsque celui-ci fut initié dans les années 1960. On y cherchait des traces de
vie, mais sans succès.
Puis au tournant du XXIème siècle, en Août 2000, on découvrit
grâce à la méthode des vitesses radiales, que cette étoile possédait au moins
une planète située a peu près à la même distance que Jupiter par rapport à notre
Soleil.
Ce qu’il y a de passionnant avec Epsilon Eridani, c’est qu’il est
similaire au nôtre, alors que jusqu’à présent on trouvait surtout des systèmes
plutôt « exotiques ».
Epsilon Eridani, serait une version « plus jeune » (son étoile
n’a « que » 800 millions d’années) de notre propre système solaire.
D’autres planètes seraient aussi sur le point d’être découvertes
dans ce système voisin.
On attend le JWST avec impatience pour poursuivre les
investigations.
LES
MISSIONS FUTURES.
De nombreuses missions sont prévues, elles ne sont pas toutes
encore financées.
Dernières nouvelles : TESS vient d’être lancée, le JWST est
reporté à 2020.
CONCLUSION.
Nous avons découvert plusieurs milliers de planètes extra
solaires et de nombreuses autres vont venir
Les systèmes planétaires sont profondément différents de notre
système solaire : orbites excentriques, Jupiters chauds etc..
Notre
système solaire semble atypique.
Pourquoi? Est-ce la condition pour qu’une vie existe?
POUR ALLER PLUS LOIN :
BIBLIOGRAPHIE :
À la recherche de l'eau dans l'Univers par Th. Encrenaz
Livre conseillé : Les planètes extra solaires par Th Encrenaz chez Belin.
J'ai lu pour vous par Pascal Gérardin : Sommes-nous seuls dans l'Univers?
Où sont-ils ? Les extraterrestres et le paradoxe de Fermi chez CNRS éditions
SITES INTERNET :
Les exoplanètes dans la Voie Lactée : CR de la conf SAF d’Arnaud Cassan du
14 Déc 2016
Les exoplanètes, mondes nouveaux : CR de la conf SAF de R Ferlet du 8 Oct
2014
Corot et exoplanètes par Claude Catala : CR conférence SAF 13 Nov 2008
La révolution des exoplanètes : CR de la conf. IAP de G Hébrard du 4 Octobre
2011
Michel Mayor : Sur les exoplanètes UNESCO 15 Janv. 2009
Les exoplanètes par S Udry
Bon ciel à tous
Jean Pierre
Martin
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