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Un système solaire à l’échelle 1/2

Par Pascal Fouque - 15/02/2008

 

Découverte d’un système planétaire analogue à Jupiter et Saturne par la technique des microlentilles gravitationnelles

Une nouvelle pierre vient d’être ajoutée à l’édifice de la connaissance des systèmes planétaires extérieurs au nôtre, qui permet de progresser sur la voie de l’identification de systèmes d’exoplanètes identiques au système solaire. En effet, depuis la découverte des Jupiters chauds en 1995, on sait que tous les systèmes planétaires ne sont pas identiques au nôtre : on trouve en effet des planètes géantes gazeuses très proches de leur étoile, inconnues dans le système solaire. La question est donc venue naturellement de savoir si notre système solaire était particulier. L’enjeu de cette question est de savoir si le développement de la vie est une étape commune à un grand nombre de systèmes planétaires ou si, au contraire, les particularités de notre système solaire font que cette apparition de la vie est peut-être plus rare qu’on ne pourrait penser a priori au vu du nombre d’étoiles accompagnées de planètes.




Parmi les 271 exoplanètes connues aujourd’hui, seul 25 systèmes planétaires multiples ont été trouvés. Il est bien sûr plus difficile de trouver plusieurs planètes autour d’une étoile qu’une seule, et l’on peut penser que le nombre de systèmes planétaires connus ira en croissant rapidement. Parmi ces 25 systèmes, seul quelques-uns ressemblent vaguement à notre système solaire. De plus, les théories de formation des systèmes planétaires prédisent que la masse des planètes géantes devrait décroître quand la distance à leur étoile croît, ce qui n’est pas observé dans la plupart des systèmes planétaires connus, sauf le système solaire. La découverte qui vient d’être annoncée par les équipes utilisant la technique de microlentille gravitationnelle est donc très intéressante : ils ont trouvé deux planètes analogues à Jupiter et Saturne autour d’une étoile deux fois moins massive que le Soleil. Leur rapport de distance à l’étoile, leur rapport de masse et leur température sont similaires aux valeurs observées pour Jupiter et Saturne.

L’effet de microlentille gravitationnelle consiste à attendre un alignement presque parfait entre deux étoiles sur une ligne de visée. La théorie de la relativité générale prédit alors que la lumière de l’objet le plus éloigné, que l’on appelle la source, sera amplifiée. Comme l’objet le plus proche, baptisé lentille, se déplace par rapport à la source, cette amplification varie et l’on observe une variation de la lumière reçue de la source, que l’on nomme courbe de lumière. La lentille est le plus souvent une étoile de faible masse, donc très peu lumineuse. Cela provient du fait que ces étoiles sont les plus nombreuses dans notre Galaxie, et le phénomène d’alignement étant très rare (une chance sur un million), seul les étoiles les plus nombreuses peuvent le faire apparaître. La source est situé dans un champ stellaire dense, généralement proche du Centre Galactique, pour maximiser les chances d’apparition d’un tel phénomène en observant de façon répétée un champ donné.

C’est cet effet qui a été observé par le télescope OGLE, situé à l’Observatoire de Las Campanas au Chili, fin mars 2006. OGLE est une collaboration entre astronomes polonais et américains, qui utilise cette technique avec succès depuis 15 ans, et détecte environ 600 événements de microlentilles par an. Mais un seul télescope ne peut pas couvrir complètement une courbe de lumière, et OGLE alerte donc des réseaux de télescopes répartis de façon uniforme principalement dans l’hémisphère sud, au Chili, en Nouvelle-Zélande, en Australie, en Israël, en Afrique et aux Etats-Unis. Plusieurs collaborations effectuent ce travail de suivi : microFUN rassemble des astronomes américains, coréens, israéliens, ainsi que des astronomes amateurs ; PLANET est un groupe d’une trentaine de chercheurs de toutes nationalités, dont plusieurs français ; RoboNet est une équipe anglo-saxonne utilisant des télescopes en Australie, aux Canaries et à Hawaii ; enfin MOA regroupe des astronomes anglais, japonais et néo-zélandais autour de télescopes situés en Nouvelle-Zélande. Ces collaborations travaillent de concert, aucune n’étant en mesure d’assurer un suivi complet sans l’aide des autres. Ce qui fut le cas pour cet événement, même si la majeure partie des observations provient de microFUN.


Suivons donc le film des observations de cet événement : OGLE alerte le 26 mars 2006 qu’un nouvel événement de microlentille a été identifié dans la constellation du Scorpion, le 109è de l’année 2006, d’où son nom OGLE-2006-BLG-109 (BLG signifie Bulge en anglais, car cette observation a été faite en direction du Bulbe central de notre Galaxie). Deux jours plus tard, OGLE rapporte des observations anormales, c’est-à-dire que la courbe de lumière ne suit pas le tracé standard, ce qui peut trahir l’existence d’une planète autour de l’étoile-lentille ; les groupes de suivi se mettent au travail pour ne rien rater de cet événement prometteur. Le 5 avril, une nouvelle déviation plus intense se produit, après un léger écart la veille couvert par MOA. Cette fois, c’est un télescope amateur néo-zélandais qui fournit les observations cruciales. Dès le lendemain, Scott Gaudi, de l’Université d’Ohio, fournit la première interprétation de ces observations indiquant qu’une planète de la taille de Saturne est en orbite autour de l’étoile-lentille ; il prédit alors une nouvelle déviation pour le 8 avril. Qui est en effet observée, à nouveaux par les amateurs néo-zélandais, aux Etats-Unis, par OGLE et par un télescope en Tasmanie travaillant pour le compte de PLANET. Mais entre-temps, une autre déviation a été vue principalement par les israéliens et par OGLE, qui n’était pas prévue par le premier modèle. C’est l’interprétation de cette déviation qui conduira à la découverte de la deuxième planète.

La courbe de lumière (voir la figure) est si riche en rebondissements que la modélisation finale ne laisse guère de doutes sur la nature de l’événement. De plus, deux effets secondaires ont pu être mesurés, qui permettent une bonne détermination de la masse des planètes. Il s’agit de la résolution de la taille de l’étoile-source (effet de taille finie) due à la grande amplification de cet événement, de l’ordre de 200 fois (l’amplification maximale est d’autant plus grande que l’alignement est meilleur : lorsque la distance projetée entre source et lentille est plus petite que le rayon de la source, celle-ci est résolue) et de l’effet de parallaxe annuelle : si la durée de l’événement est suffisamment grande (ici environ 100 jours), la Terre se déplaçant autour du Soleil, la ligne de visée change et la courbe de lumière présente une légère assymétrie. Il est rare de pouvoir observer simultanément ces deux effets, sans lesquels les mesures de masse sont beaucoup plus imprécises. Il est à noter que la première planète découverte, baptisée OGLE-2006-BLG-109Lc (L pour lentille), est la moins massive et la plus éloignée de son étoile. Cela provient du fait que la sensibilité aux planètes de la technique de microlentille est maximale à une distance appelée rayon d’Einstein, et qu’une seconde planète comme OGLE-2006-BLG-109Lb dans le cas présent, même plus massive, sera plus difficile à détecter si sa distance est significativement plus petite (ou plus grande) que le rayon d’Einstein.




Le modèle final donne donc une étoile-lentille située à environ 5000 années-lumière du Soleil, dont la masse est la moitié de celle du Soleil, et qui est accompagnée de deux planètes, l’une à 2,3 unités astronomiques (1 UA est la distance de la Terre au Soleil), de masse 0,7 fois celle de Jupiter, et qui effectue une révolution complète tous les 5 ans, et l’autre à 4,6 UA, de masse 0,3 fois Jupiter et de période 14 ans. Si l’on compare au système solaire, où Jupiter est à 5 UA et tourne en 12 ans, et Saturne est à 10 UA et décrit une orbite en 29 ans, avec une masse de 0,3 fois Jupiter, on voit que l’on est en présence d’une « maquette » du système solaire à l’échelle ½. De plus, les températures d’équilibre de ces planètes sont de l’ordre de -200°C, aussi similaires à celle de Saturne. Parmi les systèmes planétaires déjà connus, seul celui de l’étoile 47 UMa lui ressemble, avec deux planètes de masse 3 et 1 Jupiter, situées à 2 et 8 UA de leur étoile. Mais cette étoile se trouve à 46 années-lumière du Soleil, 100 fois plus près. C’est l’un des avantages de la technique de microlentille gravitationnelle de pouvoir détecter des planètes autour d’étoiles lointaines, inaccessibles par d’autres techniques d’observation, et de prouver ainsi qu’il existe des planètes dans toute notre Galaxie. Si de plus le système planétaire découvert ressemble au nôtre, la conclusion que le système solaire n’a rien de particulier est tentante.

 

 

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