C'est une nuit difficile pour l'astronomie à l'observatoire de Lick, près de San Jose, en Californie. Les lumières de la Silicon Valley scintillent sous le sommet du mont Hamilton, mes 4 200 pieds, emportant les étoiles les plus faibles. Les nuages se rapprochent du nord avec une menace de pluie. Au sommet de la montagne se trouvent dix dômes de télescope, et je monte une allée escarpée jusqu'au plus grand. Il y a un son étrange, comme un obturateur lâche gémissant dans le vent. C'est le dôme lui-même, qui craque lorsqu'il tourne pour garder son ouverture centrée au-dessus du télescope qui se déplace lentement à l'intérieur.
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Chris McCarthy, astronome de l'Université d'État de San Francisco (SFSU), m'accueille de côté. Portant une petite lumière attachée à sa tête, il me fait monter des escaliers en métal à travers l'intérieur du dôme, reste sombre pour les observations nocturnes et se dirige dans la salle de contrôle. Là-bas, Howard Isaacson, un senior de la SFSU, et Keith Baker, un technicien en télescope, s’asseoir devant un écran d’ordinateur au milieu de lourds faisceaux de câbles et de supports électroniques vétustes. McCarthy et Isaacson discutent et sirotent du thé chaud pendant que Baker utilise sa souris d'ordinateur pour régler le télescope. Avant l'aube, les astronomes vont recueillir la lumière de dizaines d'étoiles. Ils espèrent que certaines des stars abriteront de nouveaux mondes.
À une époque de rovers explorant Mars et de télescopes spatiaux prenant des images éblouissantes du cosmos au-dessus de l'obscurité de l'atmosphère terrestre, la routine à Lick - pointant pendant des heures un télescope de 47 ans sur une étoile à la fois - semble plutôt pittoresque. Pourtant, ces astronomes font partie d'une équipe qui est la meilleure dans le domaine de la chasse à la planète. À l'aide de télescopes à Hawaii, au Chili et en Australie, ainsi que de ceux de l'observatoire de Lick, pour surveiller environ 2 000 étoiles, la plupart silencieuses et d'âge moyen comme notre soleil et suffisamment proches de la Terre pour que les grands télescopes puissent voir clairement leurs mouvements - l'équipe a trouvé environ les deux tiers des quelque 200 planètes découvertes en dehors de notre système solaire jusqu'à présent. (Le brouhaha récent sur la définition d'une planète dans notre système solaire n'a pas menacé le statut planétaire de ces objets lointains.)
Certaines des nouvelles planètes extrasolaires, ou exoplanètes, sont des mondes géants de la taille de Jupiter qui entourent leurs étoiles d'orbites étroites et grillées, beaucoup plus proches que celle de Mercure autour du soleil. D'autres se rapprochent de leurs étoiles puis se balancent loin sur des chemins en forme d'oeuf, dispersant des corps plus petits au fur et à mesure. Certaines planètes nouveau-nées jettent leurs planètes sœurs vers une catastrophe ou dans les profondeurs de l’espace.
On ne voit nulle part - du moins pas encore - un système solaire comme le nôtre, avec des planètes solides à proximité du soleil et des planètes géantes gazeuses en processions ordonnées plus éloignées. Un tel système est le lieu le plus probable pour une planète rocheuse telle que la Terre de survivre pendant des milliards d'années sur une orbite stable. C’est peut-être une paroisse, mais les astronomes à la recherche de signes de vie ailleurs dans le cosmos - une quête qui anime la recherche d’exoplanètes - recherchent des planètes et des systèmes solaires assez similaires au nôtre, avec une planète ni trop éloignée ni trop proche d’une étoile et peut-être avec de l'eau à sa surface. L'équipe californienne a déclaré que trouver des planètes semblables à la Terre n'était qu'une question de temps.
L'étude des exoplanètes est encore très nouvelle, après tout. Il y a plus de dix ans, les astronomes pensaient qu'il serait impossible de les voir à la lueur des étoiles. Alors quelques astronomes ont essayé de trouver des exoplanètes en recherchant des étoiles qui semblaient vaciller, tirées par la gravité de corps invisibles en orbite autour d’elles. Mais la plupart des experts ont douté que cette approche fonctionnerait. "Les gens pensaient que chercher des planètes ne valait rien", dit McCarthy. "C'était un pas de plus que la recherche d'intelligence extraterrestre, et c'était un pas de plus d'être enlevé par des extraterrestres. Maintenant, c'est l'une des plus grandes avancées scientifiques du XXe siècle."
La première exoplanète, découverte en 1995 par Michel Mayor et Didier Queloz de l’Université de Genève en Suisse, était un objet géant deux fois plus petit que Jupiter tourbillonnant autour d’une étoile semblable à notre soleil dans une orbite effrénée tous les quatre jours. L'étoile, dans la constellation du Pégase, se trouve à environ 50 années-lumière. D'autres "Jupiters chauds", ou planètes gazeuses géantes en orbite proche d'étoiles, ont rapidement fait surface, ne serait-ce que parce que ces gros corps imposent les oscillations les plus prononcées à leurs étoiles mères.
Bien que les astronomes n'aient pas observé directement ces planètes, ils en déduisent qu'ils sont gazeux à cause de leur taille et de ce que l'on sait de la formation des planètes. Une planète se dissocie des débris dans les grands disques de poussière et de gaz entourant les étoiles. S'il atteint une certaine taille, 10 à 15 fois la taille de la Terre, il exerce une telle attraction gravitationnelle et aspire une quantité de gaz si importante qu'il devient un géant gazier.
À mesure que les techniques de mesure se sont améliorées, les astronomes ont discerné des planètes de plus en plus petites - d'abord la taille de Saturne, puis jusqu'à Neptune et Uranus. Après quelques années d'observation d'exoplanètes, les scientifiques ont constaté une tendance prometteuse: à mesure que les tailles détectées diminuaient, elles étaient de plus en plus nombreuses. Le processus qui construit les planètes semble favoriser les plus petits, pas les titans.
Au cours des 18 derniers mois, l’équipe californienne et un groupe dirigé par des chercheurs parisiens ont découvert les plus petites exoplanètes observées autour d’étoiles semblables au soleil: les deux planètes ne représentaient que cinq à huit fois la masse de la Terre. Les astronomes disent que de tels mondes sont principalement constitués de métal et de roche, avec peut-être une atmosphère épaisse. L'exoplanète découverte par l'astronome Geoff Marcy de l'Université de Californie à Berkeley et ses collègues est proche de son étoile et probablement trop chaude pour que du liquide puisse exister à sa surface. L'autre planète orbite loin d'une étoile faible et peut être aussi froide que Pluton. Cependant, apprendre que toutes les exoplanètes ne sont pas des boules de gaz géantes était un repère pour le champ. "Ce sont les premiers mondes vraisemblablement rocheux", déclare Marcy. "Pour la première fois, nous commençons à découvrir notre parenté planétaire parmi les étoiles."
Marcy explique qu'un jour dans son bureau sur le campus de Berkeley, la caractéristique la plus surprenante des exoplanètes est leur orbite inhabituelle. Dans le diagramme classique "vue de dessus" de notre système solaire, les planètes (à l'exception de Oddball Pluto, récemment rétrogradé sur une planète naine) tracent de superbes cercles concentriques autour du soleil. Marcy tend la main derrière son bureau soigné et sort un disque, un modèle mécanique de notre système solaire. Les boules de métal aux extrémités des bras grêles pivotent autour du soleil. "Nous nous attendions tous à voir ces orbites circulaires à gorge de phonographe", explique Marcy. "C'est ce que les manuels scolaires disaient au sujet des systèmes planétaires. Ainsi, lorsque nous avons commencé à voir des orbites excentriques en 1996, les gens ont dit qu'ils ne pouvaient pas être des planètes. Mais ils se sont révélés être des annonciateurs de l'avenir."
Juste après minuit à l'observatoire de Lick, les astronomes avancent bien sur la liste de contrôle de la nuit composée de 40 étoiles. Leurs cibles ne sont généralement pas les principales étoiles des constellations, mais, malgré cela, beaucoup sont assez brillantes pour être vues à l'œil nu. "Lorsque je sors avec mes amis, je peux désigner deux étoiles dont nous savons qu’elles ont des planètes", a déclaré Howard Isaacson. Une étoile particulièrement brillante dans la constellation d’Andromède en a trois.
McCarthy propose de révéler le secret du succès de l'équipe en matière d'espionnage des exoplanètes. Nous entrons dans le dôme sombre et passons sous le télescope, avec son miroir large qui recueille et focalise les faibles rayons de lumière provenant d'étoiles lointaines. J'avais vu l'imposant télescope lors de visites diurnes, mais la nuit, il avait l'air beaucoup plus vital, ses épaisses jambes de force métalliques inclinées comme les jambes d'une grande mante religieuse qui levait les yeux au ciel. McCarthy me conduit dans une pièce exiguë sous le sol du dôme, où la lumière des étoiles concentrée par le miroir du télescope se déverse dans un cylindre plus petit qu'une canette de soda. Il est enveloppé de mousse bleue, avec du verre aux deux extrémités. Il a l'air vide à l'intérieur, mais on me dit qu'il est rempli d'iode chauffé à 122 degrés Fahrenheit.
Cette cellule à l'iode a été développée par Marcy et son ancien élève, Paul Butler, astronome de la Carnegie Institution à Washington, DC. Lorsque la lumière d'une étoile traverse le gaz chaud, les molécules d'iode absorbent certaines longueurs d'onde de la lumière. La lumière restante est dispersée dans un arc-en-ciel par un instrument qui agit comme un prisme. Du fait que l’iode a soustrait des fragments de lumière, des lignes sombres sont dispersées sur le spectre, comme un code à barres long pour un supermarché. Chaque étoile porte sa propre signature de longueurs d'onde de lumière qui ont été absorbées par l'atmosphère de l'étoile. Ces longueurs d'onde se décalent légèrement lorsqu'une étoile se déplace vers nous ou s'éloigne de nous. Les astronomes comparent la signature des lignes noires de l’étoile avec les lignes de l’iode stable d’une nuit à l’autre, de mois en mois et d’année en année. Comme il y a beaucoup de lignes fines, il est possible de détecter des quarts de travail même minimes. "C'est comme si on tenait l'étoile sur un bout de papier millimétré", déclare McCarthy. "Les lignes d'iode ne bougent jamais. Donc, si l'étoile bouge, nous utilisons les lignes d'iode comme règle pour mesurer ce mouvement."
Pour quelque chose d'aussi grand qu'une étoile, les seules choses qui peuvent causer un changement régulier et répété sont les remorqueurs gravitationnels d'une autre étoile - que les astronomes pourraient facilement détecter en raison de la signature lumineuse et de la masse lourde d'une étoile de son compagnon - ou d'une planète cachée en orbite autour de. La cellule à l'iode peut suivre une étoile qui se déplace aussi lentement que plusieurs pieds par seconde - la vitesse de marche de l'homme - à travers le vide immense de plusieurs milliards de kilomètres. Cette sensibilité est la raison pour laquelle de nombreuses équipes de chasseurs de planètes utilisent la cellule à iode.
Je scrute l'intérieur et vois des feuilles froissées et des fils chauffants se faufiler à travers la mousse bleue. Des bandes de ruban adhésif semblent en maintenir certaines parties. Après notre retour à la salle de contrôle, McCarthy rigole et souligne le slogan du sweat-shirt de Keith Baker: "Quand les choses se compliquent, le ruban adhésif en toile est difficile à utiliser."
Plus les astronomes découvrent des orbites aux formes et aux distances étranges, plus ils se rendent compte que le processus naturel de formation de la planète invite au chaos et au désordre. "Il est devenu évident que notre système solaire, avec sa belle architecture et son dynamisme, était beaucoup plus stable que celui des autres étoiles", explique l'astrophysicien théoricien Greg Laughlin de l'Université de Californie à Santa Cruz, qui collabore avec l'équipe de Marcy et Butler. Essayer de comprendre comment les nouvelles planètes ont emprunté leurs chemins étranges a été une tâche ardue. Laughlin conçoit des modèles informatiques d'orbites d'exoplanètes pour tenter de recréer les histoires des planètes et prédire leur destin. Il se concentre sur le rôle de la gravité dans les ravages. Par exemple, quand une grande planète se déplace sur une orbite excentrique, sa gravité peut agir comme une fronde et projeter des mondes voisins plus petits. "Dans certains de ces systèmes", explique Laughlin, "si vous insérez une planète semblable à la Terre sur une orbite habitable, elle peut littéralement être éjectée en quelques semaines".
Les interactions entre les planètes peuvent être courantes dans le cosmos, expliquent Laughlin et ses collègues. Près de 20 étoiles sont connues pour avoir plus d’une planète en orbite autour d’elles, et certaines de ces exoplanètes sœurs sont enfermées dans une danse appelée "résonance". Par exemple, une planète entourant une étoile appelée Gliese 876 prend 30 jours pour orbiter, tandis qu'une autre planète prend presque deux fois plus longtemps. Les calculs de Laughlin montrent que leur attraction gravitationnelle mutuelle préserve un arrangement stable, semblable à une horloge, entre les deux planètes.
Les résonances sont des indices puissants que les planètes ont migré loin de leur lieu de naissance. Le disque de poussière et de gaz qui engendre les planètes embryonnaires a sa propre gravité. Le disque traîne sur les planètes, les tirant progressivement vers l’étoile ou, dans certains cas, les forçant vers l’extérieur. Alors que cette migration dure des centaines de milliers d'années, certaines exoplanètes deviennent piégées par les résonances de leurs voisins. Lorsque les grandes planètes se rapprochent, elles se fouettent et créent certaines des orbites excentriques vues par l’équipe. Au moins, c'est la meilleure hypothèse actuelle.
Les autres planètes ne sont pas longues pour ce monde. Les modèles informatiques de Laughlin suggèrent que certaines des planètes les plus proches de leurs étoiles vont s'y plonger à mesure que des planètes plus éloignées se frayent un chemin dans des orbites plus petites, peut-être dans des centaines de milliers d'années. Cette recherche sur les systèmes solaires distants a soulevé un scénario fascinant concernant notre propre système solaire. Certains astronomes émettent l'hypothèse que Vénus, la Terre et Mars sont des planètes de "deuxième génération", successeurs d'anciens corps nés plus près du soleil et ayant migré vers l'intérieur jusqu'à leur consommation.
Est-ce que tout le chaos observé dans l'univers laisse présager de terribles conséquences pour les petites planètes rocheuses? Pas du tout, dit Laughlin. La technique de mesure du va-et-vient des étoiles, aussi sensible soit-elle, devrait être environ dix fois plus fine pour révéler des objets de la taille de la Terre. Mais les télescopes satellites dont le lancement est prévu dans les prochaines années pourraient peut-être détecter des "ombres" de terres extraterrestres alors que les petites planètes passent devant leurs étoiles. Laughlin prédit que les satellites trouveront de tels corps en masse, même autour d'étoiles où aucune grande planète n'a encore été vue. "Il est très probable que les étoiles [semblables à celles du soleil] soient accompagnées de planètes terrestres", dit-il. "Mon sens intuitif est que notre système solaire n'est pas rare du tout."
Geoff Marcy de Berkeley est d'accord, car il dit que chaque étoile est née avec suffisamment de matière première pour créer de nombreuses planètes. Beaucoup de planètes solides comme la Terre devraient se former, dit-il, alors que la poussière se fond en cailloux, qui se heurtent encore et encore pour former des astéroïdes, des lunes et des planètes. "Peut-être que les Jupiters sont rares", dit-il, "mais les planètes rocheuses sont presque certainement communes. Je ne vois pas comment créer une Terre pourrait être difficile."
La petite exoplanète récemment détectée par Marcy et l'équipe de Butler partage cette opinion. Ils l'ont trouvé en surveillant les deux planètes résonnantes du système Gliese 876, situé à 15 années-lumière. Quelque chose exerçait de subtiles forces supplémentaires sur les orbites des planètes, et la meilleure explication à cela est une troisième planète, peut-être 7, 5 fois plus massive que la Terre. Compte tenu de sa taille, la planète est probablement rocheuse, comme la Terre, plutôt qu’un géant gazier. La découverte était une étape majeure dans la réponse à la question qui préoccupait tout le monde: pouvons-nous trouver des habitats potentiels pour la vie ailleurs?
Les astronomes espéraient qu'une mission de la NASA appelée Terrestrial Planet Finder répondrait à cette question. Il était supposé aller au-delà de la détection des exoplanètes: il prendrait des images des exoplanètes les plus alléchantes et analyserait leur atmosphère. Mais au début de l’année, la NASA a mis la mission en attente, en grande partie à cause des dépassements de budget de la station spatiale et de la navette spatiale et du coût prévu du plan d’envoi de personnes sur Mars.
En attendant, l’équipe basée en Californie continue à chercher plus d’exoplanètes. Dans quelques mois, Marcy et sa collègue Debra Fischer de SFSU commenceront à travailler avec un nouveau télescope à Lick appelé Automated Planet Finder, qui comportera l'instrument d'analyse de la lumière le plus sensible jamais conçu pour la recherche d'exoplanètes. L'instrument robotique balayera environ 25 étoiles prometteuses chaque nuit claire, avec le potentiel de détecter des planètes aussi petites que trois à cinq fois plus grandes que la Terre. "Ce sera le premier télescope au monde entièrement dédié à la chasse aux planètes", a déclaré Fischer. "Les gens pensaient qu'il faudrait des milliards de dollars de missions spatiales pour trouver d'autres planètes comme la Terre, mais je pense que nous avons une chance au sol."
Marcy dit que trouver des planètes sur la Terre n’est que le début. "En fin de compte, nous devons y aller, avec un vaisseau spatial robotique et un petit appareil photo numérique, et envoyer ce petit chiot à Tau Ceti ou à Epsilon Eridani", explique Marcy, en nommant deux étoiles proches particulièrement prometteuses pour héberger des planètes semblables à la Terre. Ils sont à 12 et 10, 5 années-lumière respectivement. "Certes, il faudra 100 ans [pour développer la technologie], mais c’est un objectif formidable pour notre espèce, et nous le tenons à notre portée. Il est tout à fait techniquement possible d’obtenir les premières images de la surface d’une planète autour d’une autre étoile Nous pouvons lancer une mission mondiale, un émissaire de la Terre. L’effort que nous déployons à présent est simplement une reconnaissance pour cette mission, mais c’est une reconnaissance glorieuse de repérer les premières oasis dans le désert cosmique. "
Robert Irion dirige le programme de communication scientifique de l'Université de Californie à Santa Cruz. Le photographe Peter Menzel a co-écrit Hungry Planet: Ce que le monde mange .
