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Exoplanètes — Un guide pour les observateurs

Du premier vacillement autour de 51 Pegasi à une planète orbitant notre plus proche voisine stellaire — un guide des mondes que nous avons découverts, comment nous les avons trouvés, et où les chercher dans votre propre ciel.

15 min de lecture Matthias Wüllenweber

Points Clés

  1. 1

    Les exoplanètes sont des mondes qui orbitent d'autres étoiles. Pendant la majeure partie de l'histoire humaine, nous ne connaissions que huit planètes. Aujourd'hui, le compte confirmé dépasse 5 800 et augmente chaque mois.

  2. 2

    Pratiquement chaque étoile de la galaxie héberge au moins une planète. La statistique de Kepler a montré que les petits mondes rocheux sont plus communs que les géantes gazeuses. Les planètes sont la règle, pas l'exception.

  3. 3

    Presque toutes les détections sont indirectes. Vous ne pouvez pas voir une exoplanète à travers un télescope — mais vous pouvez tout à fait voir son étoile hôte, et certaines sont visibles à l'œil nu.

  4. 4

    Cinq techniques font tout le travail : vitesse radiale (le vacillement Doppler qui a trouvé 51 Peg b), transits (le cheval de bataille de Kepler et TESS), imagerie directe, microlentille et astrométrie.

  5. 5

    La zone habitable n'est qu'un point de départ. C'est là où l'eau liquide est géométriquement possible — pas une garantie d'atmosphère, de magnétosphère ou d'un climat tempéré. Mars est dans notre propre zone.

Qu'est-ce qu'une exoplanète ?

Une exoplanète — abréviation de « planète extrasolaire » — est une planète qui orbite autour d'une étoile autre que le Soleil. Pendant la majeure partie de l'histoire humaine, nous ne connaissions que huit planètes — les mondes de notre propre système solaire. Aujourd'hui, le compte dépasse 5 800 confirmées, et augmente chaque mois.

Ce nombre est lui-même une énorme sous-estimation. Le télescope spatial Kepler de la NASA — une mission de chasse aux planètes qui a fixé un seul coin de la Voie lactée de 2009 à 2018, surveillant environ 150 000 étoiles à la recherche de l'atténuation périodique causée par les planètes en transit — a produit assez de statistiques pour suggérer que pratiquement chaque étoile de la galaxie héberge au moins une planète, et que les petits mondes rocheux sont plus communs que les géantes gazeuses. La Voie lactée contient quelques centaines de milliards d'étoiles. L'implication est que les planètes ne sont pas de rares accidents cosmiques — elles sont la règle.

Aucun de ces mondes ne peut être vu sous forme de disque dans un télescope amateur (ni même dans la plupart des télescopes professionnels). Presque toutes les exoplanètes confirmées ont été détectées indirectement — par de minuscules effets qu'elles ont sur la lumière de leur étoile hôte. Les étoiles hôtes elles-mêmes, en revanche, sont tout à fait à portée. Certaines sont assez brillantes pour être repérées à l'œil nu par une nuit sombre.

5 800+Exoplanètes confirmées
~100 %Étoiles avec ≥ 1 planète
4,24 alDistance à la plus proche (Proxima b)

Une brève histoire

Pendant des siècles, l'existence d'autres planètes était une question philosophique. Les premières détections confirmées ne sont venues que dans les années 1990, et elles sont venues dans un ordre que personne n'avait prévu.

1992 — Planètes de pulsar

Les toutes premières exoplanètes confirmées furent découvertes en orbite autour de PSR B1257+12, un pulsar milliseconde dans la Vierge. Aleksander Wolszczan et Dale Frail mesurèrent des irrégularités temporelles dans le faisceau du pulsar et montrèrent qu'elles devaient être causées par des corps en orbite. Deux petites planètes furent annoncées ; une troisième suivit en 1994. Les pulsars sont des cadavres stellaires, ces mondes n'étaient donc pas ceux que quiconque espérait trouver — mais ils prouvaient que des planètes existaient ailleurs.

1995 — La première hôte de type solaire

Michel Mayor et Didier Queloz annoncèrent une planète autour de 51 Pegasi (aujourd'hui officiellement nommée Helvetios), une étoile de type G parfaitement ordinaire située à 50 années-lumière. La planète, 51 Pegasi b, est un monde de masse jovienne qui tourne autour de son étoile en seulement 4,2 jours. Rien dans les manuels ne prédisait que des géantes gazeuses pouvaient exister aussi près de leurs étoiles ; la découverte a réécrit la théorie de la formation planétaire du jour au lendemain. Mayor et Queloz ont partagé le prix Nobel de physique 2019 pour ces travaux.

2009–2018 — Le déluge de Kepler

Pointée vers une seule portion de ciel dans le Cygne et la Lyre, la mission Kepler de la NASA a à elle seule multiplié la population connue d'exoplanètes d'un ordre de grandeur et a prouvé que les petits mondes de la taille de la Terre sont communs. TESS, le successeur de Kepler couvrant tout le ciel, lancé en 2018, ajoute des cibles proches depuis lors.

2016 — Une planète à notre porte

L'Observatoire européen austral a annoncé Proxima Centauri b — une planète d'environ une masse terrestre orbitant la naine rouge Proxima Centauri dans sa zone habitable. Proxima est l'étoile la plus proche du Soleil, à seulement 4,24 années-lumière. Soudain, l'exoplanète connue la plus proche était aussi un monde rocheux potentiellement tempéré. C'est le système d'exoplanètes le plus étudié que nous ayons, et la cible la plus plausible pour toute future sonde interstellaire.

Comment nous les trouvons

Une planète est des millions ou des milliards de fois plus faible que son étoile et se trouve noyée dans son éclat. Cinq techniques ont produit la quasi-totalité des détections confirmées.

Vitesse radiale (vacillement Doppler)

Une planète et son étoile orbitent toutes deux autour de leur centre de masse commun. Lorsque l'étoile se déplace vers nous, sa lumière est légèrement décalée vers le bleu ; lorsqu'elle s'éloigne, légèrement vers le rouge. Des spectrographes à haute résolution peuvent mesurer ces décalages jusqu'à ~1 m/s — une vitesse de marche. C'est ainsi que 51 Pegasi b a été découverte et que Proxima b a été confirmée. Optimal pour les planètes massives et proches.

Transit

Si l'orbite d'une planète est vue par la tranche depuis notre point de vue, elle passe devant son étoile une fois par orbite, bloquant une infime fraction de la lumière — typiquement de 0,01 % à 1 %. Des baisses répétées et périodiques trahissent une planète. C'est la méthode reine pour Kepler et TESS, et elle représente la majorité de toutes les exoplanètes connues. La géométrie doit coopérer, donc les transits ne saisissent qu'une petite fraction des planètes existantes, mais celles qu'ils saisissent sont extrêmement bien caractérisées : nous obtenons le rayon de la planète, et les mesures de vitesse radiale de suivi donnent la masse et donc la densité.

Imagerie directe

La méthode la plus difficile — photographier littéralement la planète. Elle exige une planète jeune, brillante, auto-lumineuse, loin de son étoile, plus une optique héroïque (coronographes, optique adaptative, écrans stellaires) pour supprimer l'éclat de l'hôte. Le succès classique est le système à quatre planètes autour de HR 8799, où les quatre géantes ont été résolues et suivies le long de leurs orbites. Beta Pictoris b est une autre référence. La méthode produit aussi des récits avertisseurs : la célèbre « image » Hubble de Fomalhaut b (2008) s'est avérée plus tard, par Gáspár & Rieke (2020), être un nuage de poussière en expansion issu d'une collision de planétésimaux, pas une planète du tout. L'imagerie directe nous donne des spectres de l'atmosphère même de la planète, qui sont autrement extrêmement difficiles à obtenir.

Microlentille gravitationnelle

Lorsqu'une étoile passe précisément devant une autre, sa gravité courbe et amplifie la lumière de l'étoile d'arrière-plan. Une planète autour de l'étoile de premier plan ajoute un bref pic secondaire à cette amplification. La microlentille est sensible aux planètes à grandes distances orbitales et même aux planètes errantes flottant librement sans étoile hôte du tout — une population estimée rivaliser avec le compte d'étoiles.

Astrométrie & chronométrage de pulsar

L'astrométrie mesure le minuscule vacillement latéral d'une étoile contre le ciel — la mission Gaia de l'ESA devrait livrer des milliers de détections par cette voie. Le chronométrage de pulsar surveille la cadence du faisceau radio d'un pulsar pour déceler des retards induits par l'orbite ; c'est exquisément précis mais ne fonctionne que pour la rare poignée d'étoiles qui sont des pulsars.

Étoiles hôtes célèbres que vous pouvez observer

Vous ne pouvez pas voir les planètes elles-mêmes, mais vous pouvez tout à fait voir leurs soleils. Pointer un télescope vers une étoile dont vous savez qu'elle abrite d'autres mondes est un petit plaisir tranquille que rien d'autre dans l'observation n'égale tout à fait.

Hôtes brillantes — à l'œil nu ou aux jumelles

  • Pollux (Beta Geminorum) — mag 1,1, Gémeaux. Une géante orange facilement visible à l'œil nu. Pollux b est une planète de classe jovienne sur une orbite de 1,6 an, découverte par vitesse radiale en 2006.
  • Tau Ceti — mag 3,5, Baleine. L'étoile simple de type solaire la plus proche, à seulement 11,9 années-lumière. Plusieurs candidates super-Terre ont été signalées, deux d'entre elles potentiellement dans la zone habitable. Un classique de longue date de la science-fiction pour de bonnes raisons.
  • Epsilon Eridani (Ran) — mag 3,7, Éridan. Une jeune naine de type K à 10,5 années-lumière avec une planète connue de masse jovienne et au moins deux ceintures de débris — un système qui ressemble probablement à notre propre système solaire dans sa jeunesse.
  • Upsilon Andromedae (Titawin) — mag 4,1, Andromède. En 1999, elle est devenue la première étoile de type solaire confirmée héberger plusieurs planètes. Au moins quatre sont aujourd'hui connues.
  • 51 Pegasi (Helvetios) — mag 5,5, Pégase. Le nom phare de l'histoire des exoplanètes — la première étoile ordinaire jamais confirmée héberger une planète (1995). Visible à l'œil nu sous un ciel sombre et une cible confortable aux jumelles depuis n'importe où.

Hôtes faibles — les cibles télescopiques des naines rouges

La plupart des planètes de la galaxie orbitent autour de naines M — des étoiles rouges petites, froides et abondantes. Individuellement, elles sont faibles, mais les plus proches sont à portée de tout télescope décent.

Proxima Centauri — mag 11,0, Centaure

L'hôte d'exoplanète connue la plus proche, point final. Une naine rouge à 4,24 années-lumière, gravitationnellement liée à la brillante paire Alpha Centauri AB. Proxima b (2016) est d'environ une masse terrestre et orbite dans la zone habitable ; une seconde planète, Proxima c, a été ajoutée en 2019. Alpha Cen A et B elles-mêmes ont une longue histoire de revendications de planètes, incluant Alpha Cen Bb (annoncée en 2012, rétractée en 2015) et une candidate non confirmée dans l'infrarouge moyen au JWST autour d'Alpha Cen A (2021) — mais aucun monde confirmé pour l'instant. Une cible exigeante depuis le nord de l'Europe (déclinaison −62°) mais à voir absolument depuis les latitudes méridionales.

Gliese 581 — mag 10,6, Balance

Un système proche de naine M devenu célèbre dans les années 2000 comme premier endroit où des super-Terres en zone habitable furent revendiquées. Plusieurs de ses planètes sont confirmées ; d'autres restent débattues. Un système historiquement important.

Gliese 876 — mag 10,3, Verseau

Un système à quatre planètes autour d'une naine M — le premier système multi-planétaire trouvé autour d'une naine rouge, et le premier à montrer une preuve claire de résonance orbitale entre ses planètes géantes.

Au-delà de la portée amateur

De nombreuses autres hôtes — y compris les cibles de Kepler et de TRAPPIST-1 — se trouvent en dessous de la limite de magnitude de la plupart des télescopes amateurs. Le catalogue à /exoplanets liste chaque planète confirmée aux côtés de son étoile hôte.

Quels types de mondes existent là-bas ?

La plus grande surprise de l'ère des exoplanètes est à quel point la plupart de ces mondes nous sont étrangers. Le système solaire, il s'avère, n'est pas un échantillon représentatif.

  • Jupiters chaudes — Des géantes gazeuses de la taille de Jupiter ou plus grandes, orbitant leur étoile plus près que Mercure n'orbite le Soleil. Des températures de surface de 1 000 à 3 000 K. Elles sont faciles à détecter et furent le premier type de planète trouvé autour d'une étoile de type solaire — 51 Pegasi b en est le prototype.
  • Super-Terres et mini-Neptunes — Les types de planètes les plus communs dans la galaxie. Les super-Terres sont des mondes rocheux de 1 à 2× le rayon de la Terre ; les mini-Neptunes sont légèrement plus grandes (2 à 4×) avec d'épaisses enveloppes gazeuses. Rien de tel n'existe dans notre propre système solaire — l'écart entre la Terre et Neptune est une particularité du système planétaire du Soleil, pas un schéma universel.
  • Planètes à ultra-courte période — Des mondes dont l'année entière dure quelques heures. Certains sont si proches de leurs étoiles que la surface est de la roche en fusion et l'atmosphère, s'il y en a une, est de la vapeur de roche.
  • Planètes errantes — Des mondes flottant librement à travers l'espace interstellaire sans étoile hôte. Les relevés de microlentille suggèrent qu'elles pourraient être aussi nombreuses que les étoiles elles-mêmes — une énorme population sombre et dispersée.
  • Analogues de la Terre — Le Graal. Approximativement de la taille de la Terre, approximativement de la masse de la Terre, orbitant dans la zone habitable d'une étoile à longue durée de vie. Nous avons une poignée de candidates plausibles — Proxima b, les mondes intérieurs de TRAPPIST-1, plusieurs candidates à Tau Ceti — mais pas encore de jumeau ferme.

La zone habitable

La zone habitable est la bande de distances orbitales autour d'une étoile où une planète rocheuse dotée du bon type d'atmosphère pourrait plausiblement maintenir de l'eau liquide à sa surface. Trop près, et les océans s'évaporent ; trop loin, et ils gèlent.

Pour le Soleil, la zone va approximativement de l'intérieur de l'orbite terrestre à au-delà de Mars. Pour une naine rouge froide comme Proxima Centauri, elle se trouve beaucoup plus près — à quelques pour cent de la distance Terre-Soleil. C'est pourquoi Proxima b, avec une orbite de 11 jours, est toujours une candidate de zone habitable : son étoile est bien plus froide que la nôtre.

« Zone habitable » ne signifie pas « habitable »

Cela signifie seulement que l'eau liquide est géométriquement possible. Cela ne garantit pas une atmosphère, une magnétosphère, ou quoi que ce soit ressemblant à un climat tempéré. Mars est techniquement à l'intérieur de la zone habitable du Soleil, et pourtant nous voilà. Néanmoins, c'est le bon endroit pour commencer à chercher.

Le compte de planètes confirmées en zone habitable — visible en haut du catalogue des exoplanètes — est l'un des nombres les plus surveillés du domaine.

Explorer le catalogue

Nightbase reproduit l'intégralité de l'archive d'exoplanètes de la NASA : chaque exoplanète confirmée, son étoile hôte, sa méthode de découverte, son orbite, et ses propriétés mesurées.

Ouvrir l'explorateur d'exoplanètes →

Filtrez par méthode de découverte (vitesse radiale, transit, imagerie…), par rayon de planète, ou selon que la planète se trouve dans la zone habitable de son étoile. Triez par année, distance, période ou masse. La chronologie de découvertes en haut de la page est un bon point de départ — elle raconte l'histoire de trois décennies de détections en un coup d'œil.

Testez-vous

Q1 Pourquoi la vitesse radiale est-elle particulièrement bonne pour trouver des planètes massives et proches ?

Le vacillement Doppler est maximal quand la planète est lourde (elle tire fort sur l'étoile) et proche (la période orbitale est courte et les deux corps se déplacent vite). 51 Pegasi b — une planète de masse jovienne sur une orbite de 4 jours — était en pratique le meilleur cas possible pour la méthode, c'est pourquoi elle fut l'une des premières planètes trouvées. Les petites planètes sur des orbites larges produisent des vacillements minuscules et lents que les spectrographes n'ont commencé à mesurer de façon fiable que dans les années 2010.

Q2 Pourquoi Proxima Centauri b est-elle une planète en zone habitable si elle orbite son étoile en seulement 11 jours ?

Proxima Centauri est une naine rouge, bien plus froide et plus faible que le Soleil. Sa zone habitable — où les températures permettent l'eau liquide — se trouve très près de l'étoile, à seulement quelques pour cent de la distance Terre-Soleil. Une orbite de 11 jours autour d'une naine M froide peut délivrer le même flux d'énergie que la Terre reçoit du Soleil en 365 jours.

Q3 Si pratiquement chaque étoile héberge une planète, pourquoi n'en avons-nous « que » ~5 800 confirmées ?

Nous ne pouvons détecter que les planètes dont la configuration géométrique, la masse et la période orbitale sont favorables à l'une de nos techniques. Les transits requièrent un alignement par la tranche (quelques pour cent de chance) ; la vitesse radiale a besoin d'années de suivi pour attraper une planète à longue période ; l'imagerie directe ne fonctionne que pour les jeunes géantes chaudes largement séparées. La plupart des planètes de la galaxie sont invisibles pour nos méthodes actuelles — nous ne comptons que la minorité chanceuse.

Q4 Pourquoi la découverte de 51 Pegasi b en 1995 fut-elle plus surprenante que les planètes du pulsar de 1992, même si elle est venue plus tard ?

Les pulsars de 1992 avaient déjà prouvé que des planètes pouvaient exister ailleurs, mais ils orbitent un cadavre stellaire — pas une étoile normale. 51 Pegasi b fut la première planète trouvée autour d'une étoile de type solaire, et c'était une géante gazeuse de masse jovienne orbitant en 4 jours — quelque chose que personne n'avait prédit. Les modèles de formation planétaire de l'époque disaient que les géantes gazeuses ne pouvaient pas se former si près de leur étoile. La découverte a forcé une réécriture complète de la théorie (« les Jupiters chaudes migrent vers l'intérieur après s'être formées plus loin ») et a valu à Mayor et Queloz le Nobel 2019.

Q5 Les planètes errantes vagabondent dans l'espace interstellaire sans étoile. Comment les détectons-nous ?

Par microlentille gravitationnelle. Quand une planète errante passe précisément devant une étoile d'arrière-plan lointaine, sa gravité courbe et amplifie brièvement la lumière de cette étoile. L'événement est court (heures à jours, contre semaines pour les microlentilles stellaires), unique et imprévisible — mais des relevés comme OGLE et KMTNet surveillent des millions d'étoiles d'arrière-plan simultanément et les attrapent statistiquement. La population estimée — possiblement comparable au nombre d'étoiles — est déduite presque entièrement de cette façon.

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