Parmi les planètes-orphelines, des sœurs de la Terre pour toujours dans la nuit

Dans le noir de l’espace, en dehors de tout système stellaire, on s’est rendu compte relativement récemment qu’il existe des astres solitaires qui ne sont ni des astéroïdes ni des étoiles, mais d’une masse suffisante pour être des planètes, les « planètes-orphelines ».

On les nomme également « Objets libres de masse planétaire » ou en Anglais, « rogue-planets ». Leur découverte remonte à la fin des années 1990 (Japonais) mais la première étude bien documentée, par David Bennett de l’Université de Notre-Dame (Etats-Unis, Indiana), date du 19 mai 2011 (voir lien ci-dessous).

Tout d’abord on n’a observé que des astres de type Jupiter et de masse comprise entre environ 13 et environ 3 masses joviennes. Le 13 est important parce qu’au-dessus, la masse de l’astre serait telle que la réaction de fusion nucléaire (Hydrogène => Deutérium) se déclencherait et qu’on serait en présence d’une étoile de premier niveau de puissance (« naine-brune »). Le 3 est également important puisque les effets discernables causés par ces astres et qui permettent de les identifier sont très faibles. Mais cette seconde limite est en train de s’abaisser grâce à nos progrès technologiques et à l’expérience, c’est-à-dire la pratique du type d’observation requis. En Septembre 2020, on a ainsi pu déclarer avoir observé (en 2016) une planète-orpheline d’une taille située entre celles de Mars et de la Terre, à qui l’on a donné le doux nom « OGLE-2016-BLG-1928 ».

Détecter ces planètes n’est donc pas facile. Ce qui l’a permis c’est l’effet de loupe des microlentilles gravitationnelles (« gravitational microlensing ») qu’elles-mêmes peuvent créer, comme toute masse par rapport à une source émettrice de lumière située derrière elle dans la ligne de l’observateur. L’effet de loupe est une application de la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein* et on ne peut le vérifier et l’utiliser pour des masses aussi faibles qu’une planète, que si l’on dispose d’instruments suffisamment sensibles pour les détecter. Cette condition étant remplie, il s’agit donc de profiter de l’instant fugace (deux heures maximum) de l’alignement avec la Terre, d’une telle source observable (évidemment une étoile) avec la masse qui passe entre elle et nous (la lentille). C’est de ce bref passage (41,5 minutes pour OGLE-2016-BLG-1928) de la planète-orpheline qui apparaît sur le graphe (voir ci-dessous) comme un pic de lumière plus ou moins haut et plus ou moins large, que l’on peut déduire sa masse, son volume (donc la nature gazeuse ou rocheuse), sa distance. Il faut être très clair : nous n’avons pas d’image.

*microlentille gravitationnelle : la lumière est courbée lorsque ses rayons éclairent un objet massif, par cet objet lui-même. La gravité de la masse au premier plan déforme l’espace environnant et agit comme une loupe.

Bien entendu il faut que, sur la durée, le phénomène ne se répète pas périodiquement (cela signifierait que la planète appartient à un système stellaire) et ce dernier « détail » n’est pas facile à vérifier car l’expérience nous a appris que les géantes gazeuses peuvent se trouver à plusieurs UA (Unités astronomiques, distance Terre-Soleil, soit 150 millions de km) de leur étoile. De ce fait, les passages d’une planète éloignée devant son étoile sont rares. Neptune qui se trouve à 30 UA du Soleil a une période de révolution de 165 ans ; Jupiter, à 5,2 UA, a une période de révolution de 11,86 ans. Un indice à rechercher est de voir si lors du passage de la planète devant l’étoile, celle-ci modifie très légèrement sa position. Ce serait la preuve d’un lien gravitationnel. Faute d’arguments contraires, on présume que ces planètes sont orphelines si elles se trouvent à au moins 10 UA d’une étoile (la distance exacte dépendra du type d’étoile), distance à laquelle on considère qu’il y a peu de chances de trouver un Jupiter et encore moins une planète tellurique, et bien sûr on vérifie l’évolution de cette distance.

Dans le cas d’OGLE-2016-BLG-1928 il faut cependant ajouter un bémol. L’objet est si petit que la parallaxe de la lentille (la planète) à la source émettrice de la lumière (une géante rouge) n’a pu être mesurée. On a estimé, d’après la mesure par le télescope Gaia du mouvement-propre de la source, que celle-ci devait être située dans le bulbe de la Voie-lactée et que la lentille devait être plutôt située dans le disque que dans le bulbe. Cela impliquerait une masse de 0,3 masse terrestre. Si elle était dans le bulbe, sa masse maximum serait de l’ordre de 2 masses terrestres, ce qui serait quand même très petit. A noter que d’une façon générale l’on oriente les instruments vers le bulbe ou vers le Nuage de Magellan en raison de la richesse en étoiles de ces régions qui donne la possibilité de très nombreux transits astronomiques. C’est important car les circonstances qui permettent l’observation de ces planètes sans étoile sont quand mêmes difficiles à remplir.

Les premières observations de planètes-orphelines ont été faites par une collaboration nippo-néo-zélandaise (Microlensing Observations in Astrophysics, « MOA »). Dès la première campagne (2006/2007), elle a découvert une dizaine d’astres, ce qui signifiait que les planètes de ce type n’étaient pas exceptionnelles bien que difficiles à observer. Plusieurs équipes poursuivent les mêmes recherches, notamment l’Optical Gravitational Lensing Experiment (« OGLE ») de l’Université de Varsovie qui a plusieurs partenariats. OGLE-2016-BLG-1928 a été découverte, avec OGLE, par Korean Milcrolensing Telescope Network, « KMTNet » du Korea Astronomy and Space Science Institute (« KASI ») .

L’origine de ces astres est toujours débattue. Deux possibilités se présentent. Soit, ils se sont formés directement par contraction d’un nuage de gaz, comme les systèmes stellaires, soit ils se sont fait éjecter de systèmes qui avaient commencé leur formation. C’est la seconde hypothèse la plus probable (ou du moins la plus fréquente) car pour que la contraction d’un nuage interstellaire soit suffisante pour créer des planètes, il faut sans doute que sa densité soit suffisamment élevée, donc que ses éléments soient tenus et resserrés par un centre gravitationnel fort qui non seulement les concentre mais aussi les entraine autour de lui à une vitesse suffisante pour créer des tourbillons de matière et de gaz. Cela ne peut résulter que d’une masse importante, suffisante pour créer une étoile. En fait, dans un nuage protoplanétaire les planètes ne peuvent pas se former avant les étoiles. Autrement dit, il est sans doute nécessaire qu’une étoile se soit déjà formée (allumée) pour que les éléments qui vont former les planètes disposent de suffisamment de vitesse orbitale pour devenir des planètes (sous réserve de cas limites). Mais on peut aussi envisager qu’un nuage protoplanétaire commence à se contracter autour d’une étoile et que, pour une raison quelconque (proximité d’un phénomène analogue en cours qui déchire le nuage ?), il se détache un fragment contenant une partie déjà suffisamment concentrée en planète (on a crû d’ailleurs, observer une planète-orpheline au centre d’un disque de poussière). Quoi qu’il en soit, le plus probable est l’éjection d’un système à la fin de sa période d’accrétion. C’est ce qui aurait pu arriver à notre fameuse et toujours hypothétiques « Planète-9 » (cinquième des géantes gazeuses, entre Saturne et Neptune) dont j’ai déjà parlé. Les auteurs d’une étude publiée le 29 Octobre 2020 dans l’Astrophysical Journal Letter concernant OGLE-2016-BLG-1928* nous disent (1) qu’au moins 75% des systèmes comprenant des planètes géantes (type Jupiter) doivent avoir connu des dispersions planétaires, (2) que les interactions entre planètes géantes (du type Jupiter + Saturne avec les autres géantes gazeuses) conduisent fréquemment à la perturbation des orbites des planètes de la partie interne des systèmes (en dessous de la ligne de glace), en principe telluriques, et parfois à leur éjection du système, aussi bien qu’à la perturbation des orbites des planètes gazeuses, (3) que les planètes peuvent aussi être éjectées à la suite d’interactions entre étoiles d’un système multiple ou parties d’un essaim d’étoiles, du survol d’une étoile voisine, ou de l’évolution de l’étoile après qu’elle soit sortie de la Séquence-principale du diagramme de Hertzprung-Russel (en fin de vie).

Il devrait donc y avoir beaucoup de tels astres dans notre Galaxie. En fait dans l’étude de Nature publiée en mai 2011, les chercheurs estimaient qu’ils pourraient y en avoir deux fois plus que des étoiles (au moins 400 milliards selon David Bennett). On en saura plus avec le télescope « WFIRST* » de la NASA. Ce télescope qui s’appelle maintenant « Nancy-Grace-Roman Telescope » ou « Roman telescope » (Nancy Roman est une astronome américaine de la NASA, mère du télescope Hubble, décédée en 2018), est un télescope à infrarouge, donc permettant de déceler les astres peu ou non lumineux. Outre des preuves de l’énergie noire où la capture d’images et de spectres de quelques grosses exoplanètes proches, il va rechercher les exoplanètes de petites tailles en utilisant le phénomène susmentionné des microlentilles gravitationnelles. Il doit être lancé en 2025.

Mais n’exagérons pas ce qu’on peut déduire de cette recherche. Certains scientifiques (un peu exaltés, à mon avis) comme Neil DeGrasse Tyson après David Stevenson du CalTech (1999), ont imaginé que si ces planètes avaient une atmosphère d’hydrogène épaisse au moment de leur éjection (c’est effectivement possible compte tenu de l’abondance de l’hydrogène et compte tenu de ce que les planètes telluriques dans leur jeune âge ont une atmosphère dense), cette atmosphère pourrait servir de « couverture isolante » planétaire si elle a été préservée lors de l’éjection. Les planètes-orphelines pourraient ainsi maintenir une certaine chaleur en surface (la chaleur interne de la planète étant ainsi conservée) jusqu’à permettre la présence d’eau liquide et donc de vie à condition que la planète ait une taille minimum, c’est-à-dire au moins celle de la Terre (hypothèse pression atmosphérique 1000 bars à l’origine). Comme vous voyez, on retombe toujours sur les mêmes rêves mais ici sans aucun fait pour les étayer. C’est un peu tôt pour s’y laisser entrainer compte tenu des moyens d’observation dont on dispose, aujourd’hui.

Illustration de titre: vue d’artiste d’une planète-orpheline approchant une étoile (qui n’est bien sûr pas la sienne puisqu’elle n’en a pas !). Crédit Christine Pulliam, Center for Astrophysics (Harvard & Smithonian).

Illustration ci-dessous : les différents cas de figure pour une observation par microlentille gravitationnelle.

Le pic lumineux d’une planète-orpheline (rectangle de droite) est petit et étroit, dissocié de toute autre masse. Crédit : Nature. Joachim Wambsganss, Bound and unbound Planets abound. Nature 473,289-291 (2011). https://doi.org/10.1038/473289a.

liens:

https://www.nature.com/articles/21811

https://science.nd.edu/news/astronomer-david-bennetts-team-discovers-new-class-of-planets/

https://www.nature.com/articles/nature10092

https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2011/18may_orphanplanets#:~:text=The%20team%20estimates%20there%20are,our%20Milky%20Way%20galaxy%20alone.

Microlensing, vidéo descriptive de la NASA : https://www.youtube.com/watch?v=6vVetE5cEMA

https://www.nationalgeographic.com/science/phenomena/2014/03/13/a-guide-to-lonely-planets-in-the-galaxy/

https://www.lefigaro.fr/sciences/2011/05/19/01008-20110519ARTFIG00590-des-planetes-sans-etoile-derivent-dans-le-vide-sideral.php

Nature 18 mai 2011 : file:///C:/Users/pierr/Downloads/473289a.pdf

*Prezemek Mróz et al 2020 ApJL 903 L11 : https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abbfad

https://www.universetoday.com/148097/a-rogue-earth-mass-planet-has-been-discovered-freely-floating-in-the-milky-way-without-a-star/

https://fr.wikipedia.org/wiki/Objet_libre_de_masse_plan%C3%A9taire

*WFIRST : https://fr.wikipedia.org/wiki/Nancy-Grace-Roman_(t%C3%A9lescope_spatial)

Pour (re)trouver dans ce blog un autre article sur un sujet qui vous intéresse, cliquez sur :

Index L’appel de Mars 21 01 26

Pierre Brisson

Pierre Brisson

Pierre Brisson, président de la Mars Society Switzerland, membre du comité directeur de l'Association Planète Mars (France), économiste de formation (Uni.of Virginia), ancien banquier d'entreprises de profession, planétologue depuis toujours.

9 réponses à “Parmi les planètes-orphelines, des sœurs de la Terre pour toujours dans la nuit

  1. Pierre, certainement une coquille :
    ….. (hypothèse pression atmosphérique 1000 bars).

    Sur Terre, la pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer dépend essentiellement de la masse de l’atmosphère, celle-ci pouvant évoluer avec la masse moyenne des gaz à concentration variable comme la vapeur d’eau. Elle est d’environ 1 013 hPa au niveau de la mer,… donc environ 1000 mbars.

    1. Merci Serge, de ce commentaire.
      Il est vrai que les 1000 bars semblent extravagants. Cependant l’hypothèse en a été faite par l’astrophysicien David Stevenson (cité dans mon article) dans un article publié par la revue scientifique Nature en 1999.
      Au début de son histoire, la Terre avait, comme les autres planètes telluriques, une atmosphère très épaisse, de l’ordre cité par l’auteur, et si elle avait été projetée hors du système solaire le froid de l’environnement l’aurait contractée et aurait permis à la planète de la conserver. Dans ces conditions l’échappement atmosphérique serait devenu extrêmement lent.
      PS: votre commentaire m’a entrainé à mettre la source concernant l’article dans ma réponse et également dans les liens en fin d’article.

      1. La question de la Vie a été souvent abordé dans ce blog, avec de nombreux doutes sur une vie extra-terrestre.
        Sans vouloir épiloguer sur cette croyance, je veux mettre en avant que la Nature a une force incroyable pour exister “partout” (ou presque). On pourrait donc être étonné de découvrir “d’autres formes de Vie” dans des conditions inimaginables.
        Serge

        https://www.consoglobe.com/environnement-cachent-abysses-3970-cg
        Dans les abysses, la pression atteint jusqu’à 600 bars.

        Dans les abysses, qui représentent 80 % de la surface océanique, ont été découverts il y a seulement 25 ans, des oasis où vivent des espèces inconnues de poissons, crustacés et vers. Ces sources à haute température (350°C) chargées en hydrogène sulfuré sont présentes sur les dorsales océaniques, formées par du magma.

        Créatures des abysses
        Nourriture rare, lumière inexistante, pression très importante…Les dernières découvertes soulèvent des interrogations : Comment une faune a-t-elle pu se développer dans des conditions aussi extrêmes et opposées aux nôtres ? Une réponse difficile à apporter puisqu’il existe peu de sous-marins de recherche actuellement capable de descendre à plus de 2000 mètres pour y observer une vie quelconque !

        1. Oui, l’interrogation, passionnante, reste sans réponse.
          Je crois que le plus difficile est le début: la mise ensemble dans une même cellule des éléments permettant l’autonomie et la reproduction. Parvenir à ce stade me semble extraordinairement difficile. Sur Terre il a fallu des circonstances et une histoire prébiotique très particulières. La difficulté est illustrée par le fait que notre histoire phylogénétique montre que tous les êtres vivants n’ont qu’un seul ancêtre, notre LUCA (Last Universal Common Ancestor), et qu’il a du vivre il y a environ 4 milliards d’années.
          Après, l’évolution à suivi son cours, utilisant toutes les possibilités qui lui était offerte, passant partout comme l’eau qui coule. Mais tout au long de ces 4 milliards d’années, nulle souche rivale n’est jamais apparue.

          1. Entièrement d’accord avec Monsieur Brisson. Le problème est bien “le début”, ensuite, une fois “déclenchée”, la vie a en effet fait preuve sur Terre d’une incroyable résilience. Mais les conditions qui ont permis ce “déclenchement” sur notre planète sont tellement aléatoires, complexes et difficiles à réunir (il faut aussi la conjonction d’extraordinaires “coïncidences temporelles”) qu’il n’est pas du tout certain que cela se soit reproduit ailleurs, malgré l’immensité de l’univers. C’est un peu comme ceux qui disent qu’en tapant au hasard sur un clavier d’ordinateur un nombre “infini” de fois, on reproduira nécessairement une fois ou l’autre une des oeuvres de shakespeare!

  2. “les planètes ne peuvent pas se former avant qu’une étoile se soit allumée” dites-vous. C’est vrai si on admet que seul un nuage protoplanétaire formé par une étoile en phase de combustion peut former des planètes. Pourtant, les systèmes de satellites gravitant autour de nos géantes gazeuses, surtout Jupiter et Saturne, ressemblent fort à des systèmes solaires dont l’étoile est trop petite pour s’être allumée. Ce n’est pas non plus contradictoire avec l’existence de leurs anneaux.
    Ne peut-on imaginer une multitude de “systèmes joviens” entre les étoiles allumées.

    Ça n’exclut pas l’existence des planètes orphelines. Que deviendrons nos planètes, telluriques et autres, quand notre soleil sera éteint ?

    1. Merci Monsieur Louis. Vous avez deux questions.
      Pour la première, je pense que seules les masses de gaz suffisamment importantes, celles qui permettent la création d’une étoile en leur centre, permettent de générer dans leur disque suffisamment de vitesse orbitale pour y créer des tourbillons susceptibles de déclencher à leur tour des concentrations de matière suffisantes pour former des planètes. Par ailleurs, c’est parce que la jeune étoile rejette, par son rayonnement, au-delà d’une certaine distance, les éléments volatils du disque qu’elle ne peut absorber avant de “s’allumer” (commencer sa fusion nucléaire), que naissent les Jupiters (ce n’est pas vrai des super-géantes, telles que les Wolf-Rayet, qui sont enveloppées dans des nuages de matière ultrachaude). Ils profitent de ce que tous ces volatils rejetés jusqu’à la limite de glace s’accumulent juste après, en une masse périphérique plus importante (ce que j’appelle un tore). Comme souvent dans la Nature, il doit y avoir des cas “limites” mais il doivent être rares, car le déclenchement, ou non, du processus de fusion donc du rayonnement, doit faire une différence importante.
      Réponse à la deuxième question: oui, la mort de l’étoile peut permettre la création de planètes orphelines (c’est un des cas de figure). Mais ce n’est pas l’extinction de l’étoile qui jouera. En effet le Soleil lorsqu’il aura épuisé les possibilités de fusion qui existent en son sein (jusqu’au carbone), deviendra une naine blanche mais cette naine blanche aura toujours une force gravitationnelle telle qu’elle pourra garder des astres gravitant autour d’elle, retenus par cette force. Par contre, lors du gonflement de notre étoile en géante-rouge, lors de la fusion des couches supérieures d’hydrogène, les perturbations entrainées dans sa sphère d’influence, peuvent amener à l’éjection de planètes (si elles ne sont pas absorbées comme la Terre le sera par le gonflement de l’étoile). Enfin pour une certaine masse (à partir de 8 masses solaires), il peut y avoir supernova et pour certaines d’entre elles (toujours en fonction de la masse), explosion de l’étoile sans qu’il reste après coup, d’étoile à neutrons ni a fortiori de trou-noir. Dans ce cas il pourrait y avoir création de planètes orphelines mais l’explosion d’une supernova est si violente qu’elle doit détruire aussi bien la plupart des astres qui gravitent autour d’elle.
      NB: ceci est une présentation très rapide de ce ce qui peut se passer et je prie les astrophysiciens qui liraient ces lignes de m’en excuser…mais je n’écris pas ici un livre, ni d’ailleurs un article scientifique ce qui prendrait beaucoup de temps et d’espace!

      1. Merci pour ces explications mais reste le problème de l’étoile en fin de vie. Même la naine blanche va finir par consommer tout son combustible et, sa masse diminuant, sa force d’attraction restera-t-elle suffisante pour qu’elle puisse conserver ses planètes.

        En fait la découverte d’exoplanètes est une chance car ça met devant nos télescopes des systèmes solaires à différents stages de formation autour d’étoiles de tous les âges et tout cela peut participer à la compréhension d’une partie de ce qui est encore inconnu.

        Notre Système Solaire a quatre milliards d’années alors que l’astronomie digne de ce nom, disposant d’instruments d’observation précis, n’a que quatre cents ans. C’est très court.

        1. Une naine blanche est un cadavre d’étoile, ou plutôt, essentiellement, ce qui reste de son noyau après fusion des éléments plus légers qui le constituaient. Une fois parvenue à cet état, l’étoile n’évoluera plus qu’extrêmement lentement en se refroidissant jusqu’à devenir, un jour très lointain, une naine-noire. Mais le processus est si long que sans doute aucune étoile n’est encore parvenue à ce stade dans notre univers. Et même lorsqu’elle y parviendra sa masse qui aura simplement perdu sa chaleur par rapport à son environnement, sera encore une force d’attraction gravitationnelle pour son environnement.

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