Une planète de taille terrestre dans la zone habitable d’une étoile naine

L’annonce de la détection d’une exoplanète pratiquement de la même taille que la Terre, située à une distance de son étoile qui pourrait lui permettre d’abriter de l’eau sous forme liquide, constitue un pas de plus vers la découverte d’une jumelle de notre planète.

Vue d’artiste de l’exoplanète Kepler-186f
La détection de Kepler-186f, une exoplanète pratiquement de la taille de la Terre située dans la zone habitable de son étoile, est un pas de plus vers la découverte d’une exoplanète semblable à la Terre. La méthode de détection utilisée ne permet pas d’obtenir une image directe de ce corps, cette représentation n’est donc que le fruit de la collaboration entre les astronomes et les illustrateurs pour tenter d’imaginer à quoi cette exoplanète pourrait ressembler. Les quatre autres planètes du système de Kepler-186 sont représentées : l’une d’elles est en transit devant l’étoile.

La perspective de la découverte d’exoplanètes semblables à la Terre capables d’abriter de l’eau sous forme liquide et donc un milieu favorable à l’apparition et au développement de la vie telle que nous la connaissons sur notre planète est sans doute le moteur le plus puissant de la recherche exoplanétaire. Bien que des exoplanètes de dimension comparable à la Terre aient déjà été détectées, certaines sont même plus petites, elles orbitent bien trop près de leur étoile et leur température est trop élevée pour permettre l’existence durable d’eau sous forme liquide à leur surface. Dans un article publié dans Science, Elisa Quintana (SETI Institute/NASA Ames Research Center) et ses collègues annoncent la détection de Kepler-186f, une exoplanète de 1,11 rayon terrestre (+/- 0,14 rayon) en orbite autour d’une étoile naine de 0,47 rayon solaire, distante de près de 500 années-lumière du Soleil (constellation du Cygne). Kepler-186f est la cinquième exoplanète découverte autour de cette étoile. Les quatre autres ont également une dimension proche de celle de la Terre, mais elles se situent bien plus près de l’étoile. L’étude approfondie de Kepler-186, de son intensité lumineuse et de son spectre, montre que l’exoplanète Kepler-186f se trouve à l’intérieur de sa zone habitable, c’est-à-dire que, si elle possède une atmosphère suffisamment dense et de l’eau, alors la température régnant à sa surface doit permettre la présence d’eau liquide.

Pour Emeline Bolmont, qui a participé à ces recherches avec Sean Raymond et Franck Selsis, tous trois co-auteurs de l’article de Science et membres de l’équipe Système solaire et Exoplanètes au Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux) : « la découverte de cette planète est historique car c’est la planète la plus petite, la plus proche de la taille de la Terre dans la zone habitable de son étoile (et probablement rocheuse). Elle marque sans doute le début d’une période : de plus en plus de ces objets vont être découverts dans le futur, avec des caractéristiques de plus en plus semblables à la Terre. »

Kepler-186 est une étoile de type spectral M qui possède le numéro 8120608 dans le Kepler Input Catalogue. Il existe des dizaines de milliards d’étoiles naines de classe M dans notre galaxie, ce qui laisse entrevoir une perspective plutôt stimulante explique Elisa Quintana : « notre galaxie est probablement jonchée de cousines de Kepler-186f. » Le rayon de l’étoile Kepler-186 est près de deux fois plus petit que celui du Soleil (0,47 +/- 0,05 rayon solaire) et elle brille bien moins intensément ; sa température de surface est proche de 3 500 °C. Mais, ce qui pourrait apparaître comme un handicap, n’en est pas obligatoirement un pour la recherche de mondes habitables. Par « monde habitable », on n’entend pas des mondes sur lesquels on pourrait, par un coup de baguette magique digne de la science-fiction, transporter des êtres humains et leur permettre de vivre comme sur la Terre. Non, « monde habitable » signifie plutôt un monde possédant des conditions de pression et de température qui permettraient l’existence d’eau sous forme liquide sur une très longue période de temps. Les étoiles de type spectral M évoluant très lentement, leur luminosité reste stable durant des milliards d’années, ce qui donne beaucoup de temps à un monde habitable pour voir potentiellement se développer des formes de vie plus ou moins complexes.

L’étoile Kepler-186 se situe à près de 500 années-lumière de nous dans la constellation du Cygne, non loin de l’étoile très brillante Deneb. L’éclat de Kepler-186 (magnitude 14,6) ne nous permet pas de la voir à l’œil nu, mais sa position est indiquée sur cette image et elle a fait partie des 150 000 étoiles scrutées par le satellite Kepler (NASA) entre mars 2009 et mai 2013.
© Guillaume Cannat

L’étoile Kepler-186 a été observée par la sonde américaine Kepler qui a scruté près de 150 000 étoiles, entre mars 2009 et mai 2013, à la recherche des moindres variations d’éclat pouvant trahir la présence d’exoplanètes. Près de 3 800 candidates ont ainsi été signalées par Kepler parmi lesquelles plus de 960 exoplanètes ont d’ores et déjà été confirmées, c’est plus de la moitié de toutes les exoplanètes découvertes à ce jour (1 780 au 16 avril 2014). En dépouillant les mesures des deux premières années de la mission, les astronomes ont détecté quatre exoplanètes autour de Kepler-186, grâce aux infimes variations de luminosité de l’étoile provoquée par les passages de ces corps devant elle (méthode des transits). Ces quatre premières exoplanètes sont toutes plus petites que 1,5 rayon terrestre, mais elles ont des périodes de révolution allant de 3,9 jours à 22,4 jours, ce qui implique une très grande proximité avec leur étoile et donc, entre autres, des températures excessives à leur surface. Avec une année d’observation complémentaire, Elisa Quintana et ses collègues sont parvenus à mettre en évidence une cinquième exoplanète, Kepler-186f. Des observations complémentaires faites avec deux des plus grands télescopes terrestres, le Keck-II et le Gemini North, ont confirmé que les observations de Kepler étaient réelles et ne pouvaient pas être imputées à une autre étoile en orbite autour de Kepler-186 ou située en arrière-plan.

Images de synthèse

Même si certains s’amusent à donner des noms aux exoplanètes, les astronomes les désignent en ajoutant simplement une lettre au nom de l’étoile en commençant par la lettre b ; les planètes du système de Kepler-186 portent donc les lettres b, c, d, e et f. Ce cinquième membre d’un système planétaire déjà bien développé s’est révélé beaucoup plus intéressant que les autres. Sa période de 129,9 jours indique en effet une orbite plus grande : son rayon est estimé à 0,35 unité astronomique, soit près de 52 millions de kilomètres (l’unité astronomique est la distance moyenne de la Terre au Soleil et elle vaut près de 150 millions de kilomètres). Kepler-186f se situe donc sensiblement à la même distance de son étoile que Mercure ne l’est du Soleil, mais elle ne risque pas d’être « grillée » comme la première planète du Système solaire car l’énergie dispensée par Kepler-186 est bien moindre. En analysant le spectre de cette étoile avec le fameux télescope de 5 m du mont Palomar, les astronomes ont considérablement amélioré notre connaissance physique de cet astre, ce qui leur a permis de déterminer que sa zone d’habitabilité doit s’étendre entre 0,2 et 0,4 unité astronomique de lui, soit de 33 à 68 millions de kilomètres de distance ; Kepler-186f orbite donc à l’intérieur de cette zone « habitable. »

Dimensions relatives du Système solaire et du système de Kepler-186
Cette illustration indique, d’une part, les dimensions relatives de la Terre et de l’exoplanète Kepler-186f et, d’autre part, les dimensions relatives du Système solaire interne, du Soleil à la Terre, et du système de Kepler-186. Les orbites sont à l’échelle, mais les dimensions des planètes, exoplanètes et étoiles sont exagérées. La zone habitable de chaque système est en vert.
© NASA Ames/SETI Institute/JPL-CalTech

Les données observationnelles de la sonde Kepler permettent de déterminer la dimension des exoplanètes détectées, mais pas leur masse. Les chercheurs ont donc utilisé des modèles d’évolution thermique des planètes pour estimer la composition et évaluer la masse des corps en orbite autour de Kepler-186. Ils concluent que si Kepler-186f était composée exclusivement d’eau sa masse serait de l’ordre de 0,32 masse terrestre, si elle était constituée uniquement de fer, elle aurait une masse 3,8 fois plus grande que la Terre, enfin, une composition de type terrestre, soit un mélange de fer pour un tiers et de silicates pour deux tiers, donnerait une masse de 1,44 fois celle de notre planète. Cette dernière composition étant, bien sûr, la plus compatible avec l’existence d’eau liquide en surface.

Forts de ces informations, les astronomes, notamment Sean Raymond du laboratoire d’astrophysique de Bordeaux, ont étudié les scénarios de formation permettant d’expliquer et de comprendre l’architecture d’un système planétaire comme celui de Kepler-186. Les cinq planètes connues à ce jour orbitent pratiquement dans le même plan, que l’on pourrait donc comparer au plan de l’écliptique pour le Système solaire, puisque nous pouvons toutes les cinq les voir transiter devant leur étoile. Les dernières évolutions de la théorie de formation des corps d’un système planétaire à partir de la matière d’un disque protoplanétaire en rotation autour d’une jeune étoile indiquent qu’un disque d’une masse initiale de 10 masses terrestres est nécessaire pour former le système de Kepler-186, mais il n’est pas exclu que des phénomènes de migrations planétaires soient intervenus. En réalisant un grand nombre de simulations numériques avec des paramétrages différents, Sean Raymond et ses collègues ont trouvé dans tous les cas qu’une planète stable devait se former entre 0,15 et 0,35 unité astronomique de l’étoile, ce qui correspond pratiquement à la zone située entre les orbites de Kepler-186e et Kepler-186f. Il n’est pas impossible qu’une sixième planète existe entre e et f, mais elle n’a pas été détectée par les observations du satellite Kepler, donc, si elle existe, elle parcourt une orbite inclinée d’au moins quelques degrés qui l’empêche de transiter devant l’étoile vue de la Terre.

Les forces de marées subies par une planète en orbite autour d’une étoile sont d’autant plus puissantes que l’orbite est petite et elles modifient la rotation de la planète sur elle-même jusqu’à ce qu’elle présente toujours la même face à son étoile. Une telle configuration, provoquant une surchauffe d’une face et un froid extrême sur la face opposée, ne serait sans doute guère favorable au maintien de conditions propices à l’émergence de la vie telle que nous l’envisageons sur Terre, même si des études récentes montrent qu’elle pourrait ne pas être aussi handicapante que l’on pourrait le penser, des zones intéressantes pouvant apparaître à la limite entre les deux faces et une atmosphère dense pouvant répartir plus efficacement la chaleur sur toute la planète. Étant donnée leur proximité, il est probable que les quatre premières planètes du système de Kepler-186 présentent effectivement toujours la même face à leur étoile. Comme le flux d’énergie stellaire qu’elles reçoivent est de 34 fois à 3 fois plus important que celui que reçoit la Terre, la température sur la face exposée doit être vraiment très élevée.

L’exoplanète Kepler-186f, en revanche, se situerait suffisamment loin pour ne pas présenter toujours la même face à son étoile et elle recevrait une insolation proche de 0,32 fois celle de la Terre. Les auteurs de l’article de Science précisent qu’une telle insolation est comparable à celle de l’exoplanète Gliese 581d, découverte il y a sept ans par Stéphane Udry et son équipe de l’observatoire de Genève. Or, des études plus complètes de Gliese 581d, qui est en orbite autour d’une étoile relativement proche de nous, une vingtaine d’années-lumière, ont montré que sa surface pourrait abriter de l’eau sous forme liquide. Pour Elisa Quintana et ses collègues, cela ne signifie pas que Kepler-186f abrite obligatoirement de l’eau liquide, mais, si elle possède une atmosphère suffisamment épaisse, alors la température qui doit régner à sa surface est suffisante pour que de l’eau liquide s’y trouve.

« Kepler-186f n’est pas une jumelle de la Terre, c’est plutôt une cousine », dit Elisa Quintana. Elle est trop lointaine pour que les télescopes terrestres parviennent à réaliser aujourd’hui des observations directes et pour que les astronomes trouvent des réponses aux questions qu'ils se posent à son sujet. Mais, par sa simple présence, elle confirme que des exoplanètes de la taille de la Terre peuvent exister dans les zones habitables des petites étoiles. Il ne reste plus qu’à en découvrir une plus proche, une que les télescopes géants en cours de construction pourront étudier directement pour déterminer s’il s’agit réellement d’une nouvelle Terre et si la composition de son atmosphère révèle l’existence de la vie ailleurs que sur notre planète.

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