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    Dénicher des exoplanètes encore plus petites

    19 septembre 2015 |Pauline Gravel | Science et technologie
    Le Gemini Planet Imager monté sur le télescope Gemini Sud a permis d’apercevoir l’exoplanète 51 Eridani b, qui est située à une centaine d’années-lumière de nous.
    Photo: Gemini Planet Imager Le Gemini Planet Imager monté sur le télescope Gemini Sud a permis d’apercevoir l’exoplanète 51 Eridani b, qui est située à une centaine d’années-lumière de nous.
    Une équipe d’astronomes, parmi lesquels figurent des Québécois, a réussi à photographier une exoplanète très semblable à Jupiter, grâce à un tout nouvel instrument très prometteur. L’étude des images obtenues de cette exoplanète, beaucoup plus jeune que notre géante gazeuse, devrait nous aider à comprendre comment s’est formé ce type de planète dans notre système solaire.
     

    La découverte de cette planète extrasolaire, qui a fait l’objet d’une publication dans la revue Science il y a quelques semaines, fut le clou du congrès In the spirit of Bernard Lyot 2015, qui a eu lieu en juin dernier à Montréal. Ce congrès international rassemblait 125 scientifiques qui conçoivent des instruments permettant de repérer des exoplanètes par imagerie directe ou qui s’appliquent à les dévoiler et à les caractériser au moyen de cette méthode de détection.

     

    Rappelons d’abord que c’est plutôt par des méthodes indirectes qu’ont été découvertes les premières exoplanètes, au milieu des années 1990. Notamment par la méthode de vitesse radiale, qui permet de détecter la présence d’exoplanètes par les petits mouvements de leur étoile qu’elles induisent par effet de gravitation. Aussi par la méthode de transit, qui permet de repérer l’existence d’une planète autour d’une étoile par les faibles diminutions de luminosité de cette étoile qui surviennent au moment où la planète passe devant elle (phénomène appelé « transit planétaire »). Ce n’est qu’en 2008 que des scientifiques, en l’occurrence de l’Université de Montréal, sont parvenus à photographier un système de planètes autour d’une étoile par la méthode d’imagerie directe. Jusqu’à maintenant, cette méthode n’avait permis de voir que des planètes gazeuses très massives, de 5 à 10 fois plus massives que Jupiter, et très éloignées de leur étoile, situées à une distance de 5 à 50 fois supérieure à celle séparant la Terre du Soleil, en raison du halo de lumière aveuglant de l’étoile qui nous empêche de voir les exoplanètes qui se déplacent à proximité de celle-ci.

     

    Il est également impossible de voir des planètes terrestres par imagerie directe, parce qu’elles sont trop petites. « La lumière qu’on reçoit d’un objet est proportionnelle à la surface émettrice. Plus l’objet est petit, moins il émet de lumière. De plus, les planètes rocheuses, comme la Terre, ont une température assez faible, elles ne sont pas très brillantes intrinsèquement et n’émettent pas de lumière dans l’infrarouge. Or nos instruments [d’imagerie directe] ne perçoivent que ces longueurs. C’est pourquoi il nous faut cibler des planètes qui sont encore chaudes — et qui, par conséquent, émettent beaucoup de lumière infrarouge. Or les planètes de ce genre tournent autour d’étoiles beaucoup plus jeunes que notre Soleil. Et ce sont habituellement des planètes géantes gazeuses qui possèdent de telles propriétés », précise Marie-Ève Naud, doctorante à l’Université de Montréal.

     

    Or la nouvelle planète que vient de découvrir l’équipe de René Doyon, de l’Université de Montréal, en collaboration avec l’astronome Bruce Macintosh, de l’Université Stanford, ne serait que deux fois plus massive que Jupiter. Elle tournerait autour d’une étoile âgée de 20 millions d’années (appelée 51 Eridani), alors que notre Soleil date de 4,5 milliards d’années, et son orbite se situerait à 13 unités astronomiques (distance entre le Soleil et la Terre) de son étoile, soit une position intermédiaire entre celle de Saturne et celle d’Uranus. Ce qui en fait la planète la plus petite, la moins lumineuse, la plus froide (avec une température de 400 degrés Celsius, comparativement à 650° précédemment), qui présente la plus forte concentration de méthane dans son atmosphère — comme chez Jupiter — jamais photographiée par une méthode d’imagerie directe. L’ensemble de ces caractéristiques font clairement penser à ce que devait être Jupiter peu de temps après sa formation, font valoir les auteurs de l’article, qui espèrent mieux comprendre comment s’est constituée notre géante gazeuse de 4,5 milliards d’années en étudiant cette jeune exoplanète aux allures joviennes de 20 millions d’années.

     

    Le Gemini Planet Imager

     

    C’est le Gemini Planet Imager (GPI) monté sur le télescope Gemini Sud, au Chili, qui a permis d’apercevoir 51 Eridani b (« b » voulant dire qu’il s’agit de la première planète découverte autour de l’étoile 51 Eridani), qui est située à une centaine d’années-lumière de nous. Cet instrument, qui est 10 fois plus puissant que celui qui a été utilisé en 2008 par René Doyon lors de sa découverte, a été mis au point par un consortium international comprenant des chercheurs de Montréal, de Victoria (Colombie-Britannique), de Santa Cruz, de Stanford et de Berkeley (Californie). Il est équipé d’un système d’optique adaptative très puissant qui permet de corriger les déformations occasionnées par la turbulence atmosphérique. « Les surfaces des composantes optiques doivent être complètement lisses. Mais il y a une limite à la qualité qu’on peut atteindre par le polissage des surfaces optiques. Il a donc fallu trouver d’autres méthodes pour corriger les petits défauts qui restent sur les lentilles et les miroirs. Les systèmes d’optique adaptative, aussi appelés miroirs déformables, se composent de capteurs qui mesurent la turbulence et envoient un signal à des activateurs ou pistons qui, en déformant la membrane du miroir, apportent les correctifs requis. Ces déformations se font plusieurs milliers de fois par seconde, soit plus rapidement que le changement de l’image. La première génération de système d’optique adaptative, avec laquelle on a fait notre découverte en 2008, contenait 170 pistons ou activateurs sur le miroir déformable. Le GPI en comprend 1600, soit 10 fois plus, sur une surface de la taille d’un cinq cents », précise René Doyon, directeur du nouvel Institut de recherche sur les exoplanètes.

     

    Le GPI possède aussi un coronographe, alors que les anciens instruments en étaient dépourvus. Inventé par le Français Bernard Lyot — dont le congrès porte le nom — le coronographe vise à masquer l’aveuglant disque solaire afin qu’on puisse voir les planètes qui seraient noyées dans la couronne solaire. Au coronographe s’ajoutent aussi de nouvelles techniques de traitement et d’analyse des images — mises au point par le professeur David Lafrenière, de l’Université de Montréal — qui permettent d’éliminer encore plus l’éclat de l’étoile. « Le coronographe ne permet pas d’éliminer complètement cette lumière aveuglante. Nos techniques accroissent de 10 à 50 fois la sensibilité de l’appareil et ainsi la possibilité de trouver des planètes qui sont très près de leur étoile », explique-t-il.

     

    Même si la méthode d’imagerie directe ne permet pas encore de voir des planètes de la taille de la Terre, elle permet toutefois de déterminer la composition chimique des exoplanètes observées. « On décompose la lumière des images en ses différentes longueurs d’onde, lesquelles contiennent des informations sur la quantité de certaines molécules dans l’atmosphère de la planète », fait remarquer M. Lafrenière.

     

    « L’imagerie directe est plus difficile à réaliser que l’imagerie indirecte, mais elle sera la clé des plus grandes découvertes, car, quand on est capable de voir une planète, on est capable d’en savoir plus sur elle », lance Marie-Ève Naud, avant de souligner que les prochaines générations d’instruments d’imagerie directe devraient permettre de voir des planètes jumelles de la Terre, comme celle qui a été récemment repérée par la méthode du transit, grâce au télescope spatial Kepler.
     

    Un nouvel institut de recherche sur les exoplanètes

    Dans deux semaines, l’Université de Montréal inaugurera officiellement le nouvel Institut de recherche sur les exoplanètes (IREx), en présence de Lorne Trottier, dont la fondation philanthropique a offert un million de dollars pour stimuler la recherche de nouvelles exoplanètes, et plus particulièrement la recherche de vie extraterrestre. « Ce don nous aidera à accroître notre capacité de recherche, notamment à recruter des étudiants postdoctoraux et ainsi à constituer une équipe de rêve pour se positionner à l’échelle mondiale dans cette grande course à la recherche de vie ailleurs dans l’Univers », affirme René Doyon, directeur de l’IREx.

    Lors du congrès In the spirit of Bernard Lyot 2015, M. Doyon a cité deux mots pour décrire l’histoire de la recherche sur les exoplanètes : « diversité et surprise ». « Nous avons constamment eu des surprises. La première exoplanète découverte, la 51 Pegasi b, est dix fois plus près de son étoile que ne l’est Mercure, et il s’agit d’une planète géante. Elle s’est formée loin de son étoile et a ensuite migré vers l’intérieur », a-t-il rappelé.

    « En 1995, on ne pouvait pas s’expliquer l’existence de ce genre de planète. Il a fallu réviser nos théories et trouver des explications », a ajouté la doctorante Marie-Ève Naud, de l’Université de Montréal, qui a découvert une planète située à 2000 fois la distance Terre-Soleil de son étoile. Cette planète, qui fait six fois la masse de Jupiter, effectue donc une révolution complète autour de son étoile en 165 000 ans. « Elle est tellement loin de son étoile qu’elle ne s’est probablement pas formée dans le disque circumstellaire comme cela se passe habituellement. Elle a plutôt été capturée par l’étoile », explique la chercheuse, avant de souligner le fait qu’on ne sait plus si on doit toujours dénommer « planètes » des objets à ce point différents des planètes de notre système solaire. « Pour l’instant, la définition de “ planète ” désigne un corps d’une masse inférieure à 13 fois celle de Jupiter qui tourne autour d’une étoile. Si l’objet est plus gros, c’est une naine brune, sauf qu’on découvre maintenant des objets qui sont plus petits que 13 fois la masse de Jupiter mais qui ne sont pas en orbite autour d’une étoile. Certains scientifiques ont décidé de les appeler free floating planets, planètes errantes, planètes flottantes ou planètes orphelines », indique Mme Naud.

    Selon le doctorant Jonathan Gagné, « ces objets ont des propriétés presque identiques à celles des planètes géantes : même genre de température, de nuages dans leur atmosphère, de rayon et de masse. Toutefois, ils ne sont pas situés autour d’une étoile. Peut-être se sont-ils formés comme des planètes, puis ont été éjectés de leur système solaire ? Ou peut-être se sont-ils formés tout seuls ? Il faudra en découvrir encore d’autres pour savoir quel processus est le bon ou si les deux phénomènes se produisent », ajoute ce doctorant de l’Université de Montréal, qui vient de découvrir une douzaine de ces objets isolés qui sont plus petits que 13 fois la masse de Jupiter.
    Le Gemini Planet Imager monté sur le télescope Gemini Sud a permis d’apercevoir l’exoplanète 51 Eridani b, qui est située à une centaine d’années-lumière de nous. Le télescope Gemini Sud, au Chili












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