5 700 exoplanètes… mais comment les classer ?
Les découvertes incessantes et l'extraordinaire variété des exoplanètes poussent les scientifiques à établir un classement, avec 4 catégories dominantes : les géantes gazeuses, les Neptuniennes, les super-Terres et les planètes rocheuses…
Les huit planètes qui forment notre système solaire sont loin d'être les seuls mondes à peupler la Voie lactée : elle en compterait au moins 100 milliards ! Depuis 1995, et la découverte de la première planète tournant autour d'une étoile semblable au Soleil et située hors de notre système solaire - 51 Pegasi b -, ce sont aujourd'hui près de 6 000 mondes extrasolaires qui ont été mis au jour. Au-delà de leur détection, il est désormais possible d'en connaître certaines caractéristiques : durée de l'orbite, taille, masse, composition de l'atmosphère… Autant de possibilités qui ont montré la prévalence de certains types d'exoplanètes, que l'on essaye aujourd'hui de classifier.
Ce sont les exoplanètes les plus faciles à détecter. C'est par conséquent l'une des classes les plus peuplées, puisqu'elle englobe le tiers de toutes les planètes observées. Ces planètes sont similaires à nos Jupiter et Saturne, en ce sens qu'elles n'ont pas de surfaces solides, mais qu'elles sont plutôt composées de gaz tourbillonnants (principalement de l'hélium et de l'hydrogène) au-dessus d'un noyau solide. Les géantes gazeuses extrasolaires étudiées jusqu'à présent peuvent être séparées en deux catégories distinctes : les Jupiter froids et les Jupiter chauds.
Les Jupiter froids sont des planètes géantes qui orbitent à quelques unités astronomiques de leur étoile. Pour rappel, une unité astronomique, ou UA, correspond à la distance Terre-Soleil, soit environ 150 millions de kilomètres. Ces planètes sont donc à peu près à la même distance de leur étoile que Jupiter (photo) et Saturne le sont du Soleil.
Jupiter, en plus chaud
Les Jupiter chauds, en revanche, “sont vraiment très proches de leurs étoiles, plus que Mercure ne l'est du Soleil”, compare Anne-Marie Lagrange, astrophysicienne à l'observatoire de Paris-Meudon. Toutes les premières exoplanètes à avoir été détectées autour d'étoiles de type solaire font partie de cette catégorie. Par exemple, 51 Pegasi b ne met que 4,2 jours à faire le tour de son étoile, tandis que Mercure tourne autour du Soleil en 88 jours. “Jupiter est à 5 UA du Soleil ; 51 Pegasi b est 100 fois plus proche”, complète Xavier Bonfils, chercheur à l'institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble. C'est justement parce qu'ils sont si proches de leur étoile que ces Jupiter sont chauds : la température de 51 Pegasi b est de 1 570 K (près de 1 300°C), contre 110 K (- 163°C) pour Jupiter. “Ces systèmes se révèlent très intéressants, parce qu'ils sont faciles à détecter. Ces planètes sont forcément différentes des géantes de notre système solaire, car elles sont perturbées par l'irradiation de leur étoile”, poursuit Anne-Marie Lagrange. Par exemple, certains de ces Jupiter chauds s'évaporent. C'est le cas de HD 209458 b, qui fait le tour de son étoile en 3,5 jours. “Les éléments les plus légers partent d'abord, et on observe que de l'hydrogène de l'atmosphère de HD 209458 b est en train de s'évaporer”, décrit la chercheuse.
Voilà pour les géantes gazeuses. Tous les autres types de planètes extrasolaires découverts à ce jour ont des densités supérieures.
Elles ont une masse comprise respectivement entre 1 et 10 fois celle de la Terre. “Assez vite, le terme de super-Terre a été proposé, rapporte Xavier Bonfils, mais ce n'est pas forcément satisfaisant, car 'super-Terre' implique que ça doit s'apparenter à la Terre, au moins en matière de composition, mais on ne savait pas si elles étaient vraiment toutes rocheuses. ” Au final, cette classe a été subdivisée en deux.
D'une part, les mini-Neptunes (image en bas à droite), qui ont un rayon inclus entre 2,4 et 3,4 fois celui de la Terre. “Ces planètes ont un noyau de glace assez important, avec une enveloppe d'hydrogène et d'hélium, et ressembleraient à de petites versions de Neptune”, illustre l'astrophysicien. D'autre part, les super-Terres, comprises entre 1 et 1,6 rayon terrestre (ci-dessus, Kepler-62 f). “Elles seraient vraiment des planètes rocheuses, mais plus grosses que la Terre.”
Migration vers l'étoile
Et entre 1,6 et 2,4 fois le rayon de la Terre ? Rien, ou presque. Ce trou est connu sous le nom de “rift subneptunien”. “Il représente une réelle absence d'exoplanètes et non un défaut d'observation, assure Remo Burn, astrophysicien à l'Institut Max-Planck, à Heidelberg, en Allemagne. Le télescope spatial Kepler, qui a cherché des exoplanètes, l'a fait pendant plus de dix ans, parfois en scrutant la même partie du ciel pendant neuf années ; on peut donc difficilement imaginer qu'il ait loupé spécifiquement les planètes comprises entre les super-Terres et les mini-Neptunes.” L'interprétation donnée a longtemps été liée au rayonnement X et UV de l'étoile centrale. Par son action, ce rayonnement expulse petit à petit l'atmosphère des planètes. Si cet argument tient la route pour les super-Terres qui tournent assez près de leur étoile, il ne permet pas d'expliquer comment il aurait pu en être de même pour les planètes plus éloignées. Récemment, grâce à des simulations numériques, Remo Burn est arrivé à une conclusion : “D'abord, certaines planètes se forment assez loin de leur étoile pour être chargées d'eau glacée. Puis, avec le temps, elles migrent vers leur étoile. Quand leur glace fond, ça crée une épaisse atmosphère de vapeur d'eau, et elles finissent par atteindre les tailles que l'on connaît des mini-Neptunes.” Le rift subneptunien s'expliquerait donc par le fait que les planètes ayant un rayon allant de 1,6 à 2,4 fois celui de la Terre voient, soit leur atmosphère éjectée par le vent stellaire et deviennent des super-Terres, soit leur glace d'eau s'évaporer et elles évoluent en mini-Neptunes.
On arrive dans cette classe si l'on augmente davantage en densité. “Parmi elles, il existe des planètes de la taille de la Terre, mais si proches de l'étoile qu'elles sont très chaudes, au point que la roche se liquéfie : ce sont les planètes de lave”, explique Xavier Bonfils. Aucune exoplanète n'a encore été proprement identifiée comme étant composée de lave. Toutefois, on répertorie de sérieuses candidates, comme CoRoT-7 b (ci-dessus, premier plan), la première exoplanète potentiellement de lave jamais détectée. Découverte en 2009 par la mission spatiale française CoRoT, CoRoT-7 b fait le tour de son étoile en 0,8 jour. De ce fait, la température observée à sa surface est extrême, et peut atteindre 2 500°C sur la partie exposée à l'étoile.
Les planètes-océans constituent un autre type d'astres denses dont on soupçonne l'existence. “Elles n'auraient pas autant d'hydrogène et d'hélium que Neptune, mais elles se seraient tout de même composées de beaucoup de glace, décrit l'astrophysicien. Puis cette glace aurait petit à petit fondu pour laisser place à de l'eau liquide.” Encore une fois, aucune découverte de planète-océan n'a été officialisée, mais des présomptions pèsent sur certaines. À commencer par GJ 1214 b, la première de ce type à avoir été détectée.
Plus surprenant également, des planètes encore plus denses que Mercure, et extrêmement riches en fer et en carbone, pourraient s'être formées à partir de résidus de supernova. Quand une étoile massive meurt, elle explose en supernova, laissant derrière elle deux choses : un astre compact, comme un pulsar, c'est-à-dire une étoile à neutrons tournant sur elle-même et émettant depuis ses pôles des jets électromagnétiques, et, alentour, tout le matériel qui constituait l'étoile massive. C'est de ce matériel que seraient façonnées ces exoplanètes plus denses que Mercure. “À cause de cette forte densité, le carbone pourrait y être comprimé au point de créer des diamants”, indique Xavier Bonfils. PSR J1719-1438 b, tournant autour d'un pulsar, est à ce jour le meilleur candidat pour être une exoplanète en diamant.
Diversité de systèmes
Quid des exoplanètes identiques aux mondes de notre système solaire ? Hormis les Jupiter froids, qui sont comme Jupiter, nos sept autres planètes semblent être à peu près absentes des systèmes planétaires que l'on connaît aujourd'hui. “C'est parce qu'on n'est pas encore capables de détecter de telles planètes, informe Anne-Marie Lagrange. Les domaines de masses et de distances à l'étoile où l'on pense trouver des planètes analogues aux nôtres n'ont tout simplement pas été explorés.” Les défis techniques se montrent encore trop grands. “L'un des enseignements les plus importants de ces recherches est de voir toute la diversité des systèmes planétaires qui existent, poursuit la spécialiste. Observer des planètes géantes orbiter tout près de leur étoile comme les Jupiter chauds, c'est complètement différent de ce que l'on imaginait il y a trente ou quarante ans. C'est pour ça que les premiers scientifiques en quête de systèmes planétaires n'y parvenaient pas, parce qu'ils voulaient en trouver des semblables aux nôtres. On ne concevait pas, à ce moment-là, une telle diversité.” Un dernier exemple : alors que dans notre système solaire, chacune des planètes évolue seule sur son orbite, il existerait ailleurs des planètes “troyennes” qui tourneraient sur la même orbite... Et on en aurait découvert autour d'une étoile : PDS 70.
30 % Géante gazeuse
La référence à Jupiter fait qu'elle est aussi appelée “géante jovienne”. Elle possède une atmosphère gazeuse très épaisse qui cache une couche inférieure liquide ou solide, autour d'un noyau solide.
31 % Super -Terre
Contrairement à ce que l'on pourrait penser, cette dénomination ne désigne pas une planète habitable comme la Terre. On nomme ainsi les planètes qui possèdent une masse entre 5 et 10 fois supérieure à celle de la Terre. Elles peuvent ne pas avoir d'atmosphère.
4 % Tellurique
De la taille de la Terre ou plus petites, elles sont composées de roche, de silicate, d'eau ou de carbone. Elles peuvent ne pas avoir d'atmosphère.
35 % Neptunienne
De taille similaire à celle de Neptune ou d'Uranus. Les mini-Neptune sont, elles, plus petites, mais plus grosses que la Terre. Toutes possèdent un noyau rocheux et une atmosphère extérieure dominée par l'hélium et l'hydrogène.