Au cours des trois dernières décennies, les astronomes ont découvert plus de 6 000 planètes en dehors de notre système solaire, mais aucune ne ressemble à notre planète. Cela pourrait être sur le point de changer.
Un nouveau projet de télescope qui démarrera aux îles Canaries à la mi-décembre aura un objectif principal : trouver une jumelle de la Terre. L'expérience Terra Hunting sera la première quête systématique dédiée à la recherche de planètes semblables à la Terre en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil avec une résolution et un temps d'observation suffisants pour avoir une chance de faire une telle découverte.
Il s'agit d'une collaboration d'une douzaine d'instituts de recherche dirigés par l'astrophysicien Didier Queloz de l'Université de Cambridge, qui a partagé le prix Nobel de physique 2019 pour la première découverte d'une planète en orbite autour d'une étoile semblable au soleil il y a 30 ans.
« Nous voulons trouver une planète comme la Terre », déclare Queloz. « Le fait que nous n'ayons aucun système semblable à la Terre est très frustrant. »
Trouver des planètes semblables à la Terre est difficile
Le problème est que les planètes semblables à la Terre sont presque impossibles à détecter. En effet, les méthodes de détection permettent de repérer plus facilement les énormes planètes en orbite près de leur étoile.
Les planètes lointaines sont généralement trop faibles pour être vues directement, c'est pourquoi les astronomes s'appuient sur des mesures indirectes. Une technique courante, qui sera utilisée par la nouvelle étude, détecte l'oscillation d'une étoile lorsqu'une planète en orbite la tire gravitationnellement d'avant en arrière. Pour détecter cette infime oscillation, les chercheurs recherchent des changements d’oscillation dans les longueurs d’onde de la lumière des étoiles, qui signalent un mouvement d’avant en arrière d’une étoile. Ces mesures, dont chacune prend le temps nécessaire à la planète observée pour terminer son orbite, révèlent également la masse d'une planète et la durée de son année.
Une grosse planète en orbite autour d’une petite étoile produit une grande oscillation. Et des orbites plus proches et plus courtes signifient que l’oscillation peut être mesurée plus fréquemment, permettant aux astronomes de confirmer rapidement la découverte. Ainsi, la plupart des exoplanètes découvertes jusqu’à présent sont plus grandes que la Terre et orbitent beaucoup plus près de leur étoile. Ils comprennent des géantes gazeuses appelées « Jupiters chauds » et de grandes « sous-Neptunes » rocheuses, et la plupart sont en orbite très rapprochée autour d’une naine M – un type de petite étoile sombre très différente de notre soleil.
Mais pour une planète semblable à la Terre, l’oscillation est plus petite et ne se produit qu’environ une fois par an. Cela signifie que la confirmation d’une détection peut prendre de nombreuses années, d’autant plus que le signal d’oscillation est noyé par des fluctuations intrinsèques plus importantes de la lumière provenant de la surface de l’étoile. C'est comme repérer une luciole devant un feu de camp.
Cette limitation signifie que nous ne connaissons pas encore de systèmes planétaires ressemblant au nôtre. « Nous n'avons trouvé aucun équivalent en matière de système solaire », déclare Queloz. « Nous passons complètement à côté d’une grande partie de l’histoire » des systèmes planétaires.
Des planètes semblables à la Terre peuvent guider la recherche d’ET
Ce manque de connaissances n’est pas seulement frustrant pour les astrophysiciens, il entrave également la recherche de la vie extraterrestre.
Les astrobiologistes examinent la lumière des étoiles contournant l’atmosphère planétaire à la recherche de biosignatures – des molécules qui pourraient suggérer la présence de la vie. Mais la question de savoir si la vie peut exister dans les systèmes planétaires que nous connaissons jusqu'à présent est un sujet de débat, car ils sont très différents et donc difficiles à comparer avec notre système solaire. Par exemple, les naines M déclenchent des explosions de radiations fréquentes et violentes qui pourraient brûler à plusieurs reprises les planètes voisines. De plus, la proximité de ces planètes avec leur étoile signifie que leur rotation est verrouillée par les marées, exposant un seul côté à la lumière du jour éternelle.
Et d’ailleurs, note Queloz, la recherche de la vie dans l’espace est « beaucoup plus difficile » sur des types de planètes inconnus.
C'est pourquoi lui et d'autres pensent que notre meilleur pari pour trouver la vie extraterrestre est sur une planète de la taille de la Terre dans la zone habitable d'une étoile semblable au Soleil, ce que les astronomes appellent une naine G ou une naine K légèrement plus froide. « Si nous voulons trouver la vie, je parie que ce sera sur une planète semblable à la Terre », déclare Clark Baker, astrophysicien à l'Université de Cambridge.
Une nouvelle recherche de planètes semblables à la Terre est sur le point de démarrer
Queloz attribue le manque de découvertes semblables à la Terre à un « mur technique » qui empêche de voir au-delà du bruit produit par les étoiles. Mais après une décennie de développement, lui et son équipe pensent avoir réussi.
Leur solution est HARPS3, un spectrographe de pointe – un instrument qui décompose la lumière des étoiles en couleurs ou longueurs d’onde – conçu spécifiquement pour mesurer la vitesse des étoiles par rapport à notre système solaire avec une précision suffisamment élevée pour détecter les planètes au milieu de tout le bruit.
L’équipe a attaché HARPS3 à un télescope construit à l’origine dans les années 1960 pour l’Observatoire royal de Greenwich en Angleterre et déménagé dans les années 1980 à La Palma, dans les îles Canaries. « Il était bien moins coûteux de remettre à neuf que de construire un nouveau télescope de cette classe », explique Baker. « Mécaniquement, il était parfaitement bon : fiable, précis et idéal pour cette enquête.
Avoir un télescope avec ce genre d’histoire pour faire notre enquête est une belle chose. L'instrument peut mesurer un mouvement stellaire d'environ 10 centimètres par seconde, soit à peu près la vitesse d'un bébé qui rampe, explique Baker. Mais la précision seule ne suffit pas. Le projet observera le même ensemble de 50 étoiles semblables au Soleil chaque nuit pendant 10 ans, en fonctionnant de manière entièrement robotisée pour rendre les observations moins laborieuses. L’équipe a sélectionné les étoiles en fonction d’une série de paramètres afin de se concentrer sur celles les plus similaires à notre soleil, mais aussi les plus susceptibles de fournir des données de bonne qualité.
« Vous devez mesurer chaque nuit pendant une décennie pour obtenir suffisamment de données pour réduire le bruit et détecter ces jumeaux terrestres », explique Baker.
L'astrophysicienne de Cambridge, Samantha Thompson, décrit le sentiment troublant de mettre « 10 ans de ma vie et 10 millions de livres sterling d'équipement dans des conteneurs maritimes de 20 pieds » pour les transporter à La Palma en octobre. Elle espère que l’expérience « trouvera de bonnes preuves de quelque chose comme la Terre ». L'idée d'un « point bleu pâle venant d'un autre système solaire » la fait « frissonner », dit-elle, faisant référence à l'image emblématique de la Terre prise par la sonde spatiale Voyager 1 de la NASA en 1990 alors qu'elle quittait le système solaire.
« Terra Hunting » fait partie d'un effort mondial
Sur la base des données de la mission Kepler de la NASA, qui a découvert environ 2 600 exoplanètes au cours de sa mission de près de 10 ans, l'équipe espère découvrir au moins deux planètes semblables à la Terre dans la zone habitable, où l'eau liquide peut exister. Ces mondes deviendraient alors des cibles privilégiées pour les missions de télescope planifiées visant à rechercher des signes de vie.
Sarah Rugheimer, astronome à l'Université d'Édimbourg non impliquée dans l'expérience, affirme que le projet « remplit un espace de paramètres critiques qui manque actuellement dans notre recherche d'exoplanètes », notamment en recherchant des planètes avec des périodes orbitales plus longues autour d'étoiles ressemblant davantage à notre soleil.
L'astrochimiste de l'Université de Cambridge, Paul Rimmer, qui ne fait pas non plus partie de l'équipe de Terra Hunting, affirme que le projet a le potentiel de nous conduire aux « preuves les plus solides de la vie » au-delà de la Terre à ce jour. Les futures missions telles que le projet d'observatoire des exoplanètes habitables de la NASA ou le grand interféromètre pour exoplanètes basé en Europe pourraient zoomer sur les planètes découvertes par l'expérience Terra Hunting, étudiant leurs atmosphères à la recherche de biosignatures.
Queloz considère le projet comme un test. « Si cela fonctionne, nous en aurons besoin de beaucoup plus », dit-il.
Une équipe danoise prévoit déjà une recherche similaire sur cinq ans de planètes semblables à la Terre en utilisant un nouvel instrument au Chili qui étudiera le ciel du sud. Le chef du projet, Lars Buchhave, astrophysicien à l'Université technique du Danemark à Kongens Lyngby, note que leurs efforts dans le sud et Terra Hunting dans le nord rendent les deux projets complémentaires.
Queloz est d’accord. La recherche d’une planète semblable à la Terre, dit-il, est « un objectif tellement ambitieux qu’il nécessite un effort mondial ».
Et si Terra Hunting ne trouvait rien au bout de 10 ans ? « Ce serait également un résultat fascinant », déclare Queloz. « Nous serons plus spéciaux que nous ne le pensons. »
L'auteur est en visite à l'Université de Cambridge grâce à une bourse de recherche financée par l'Organisation européenne de biologie moléculaire.
