Il y en a probablement des milliards qui virevoltent autour de leur étoile dans notre galaxie. Et chaque mois, on en découvre de nouvelles. Les exoplanètes, autrement dit les planètes qui existent en dehors de notre système solaire, sont bien les stars de l'astronomie de la dernière décennie. Mais aussi fabuleuses soient-elles, ces découvertes n'ont pas encore permis de résoudre un grand mystère, simple à formuler : comment naissent les planètes ? Très lointaines, les exoplanètes ne nous ont pour l'instant que peu renseignés sur les conditions de leur formation. Alors en attendant, les astronomes continuent de se rabattre sur les planètes qu'ils ont à portée d'instruments : celles qui gravitent autour de notre étoile, le Soleil.
Pour comprendre les évènements qui conduisent à la naissance des planètes, les chercheurs déroulent donc un scénario portant sur les dix millions d'années qui ont suivi l'apparition de notre étoile au cœur d'un nuage interstellaire. Lorsque l'astre s'est formé, la région de gaz et de poussières qui l'entoure s'est aplatie. Dans ce disque dit « protoplanétaire », des particules de matière, micrométriques et centimétriques, se sont agglutinées jusqu'à devenir d'imposantes boules de matière, les « planétésimaux » qui ont grossi jusqu'à atteindre une taille de l'ordre du millier de kilomètres. C'est de l'agglomération de ces corps que naîtraient les « géantes gazeuses », comme Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, et les planètes rocheuses, comme la Terre ou Mars.

La matière venue du ciel
Bien qu'il ait été vérifié dans ses grandes lignes, les détails de ce processus sont mal connus. Son commencement en particulier, comporte de nombreuses zones d'ombre que les scientifiques voudraient éclaircir. Quels solides précisément sont présents au départ dans la nébuleuse solaire ? Comment s'assemblent-ils ensuite pour former des objets comme des astéroïdes, des comètes, des planètes ou des lunes ? Pour répondre à ces questions, certains astronomes comme ceux du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques du CNRS¹ ou ceux du laboratoire Nano-analyses² examinent de la matière extraterrestre. En effet, les échantillons venus de l'espace, comme les chondrites, nous parviennent presque inchangés depuis 4,567 milliards d'années. Et beaucoup portent la trace des changements physico-chimiques de l'environnement de la banlieue du Soleil. C'est pourquoi l'équipe dirigée par François Robert peut reconstituer le passé en comparant différents types d'objets célestes : météorites tombées au sol, micrométéorites récupérées dans les glaces du pôle Sud et, depuis le retour de la mission spatiale de la Nasa, Stardust, constituants de queue cométaire.
Ce travail de longue haleine, consistant à passer ces matériaux au crible de l'analyse chimique, isotopique, pétrographique et minéralogique, permet de préciser, pas à pas, la chaîne des événements qui fut à l'origine du système solaire actuel. Récemment, ces chercheurs ont ainsi découvert que des réactions nucléaires avaient pu avoir lieu dans le disque protoplanétaire primitif, contrairement à ce qu'indiquaient jusqu'ici les théories ! Certes, des traces de radioactivité avaient bien été identifiées. Mais les chercheurs avaient une explication : l'explosion d'une étoile massive en fin de vie, qui y aurait injecté des éléments radioactifs. En recherchant et en comptabilisant dans de très vieilles météorites, des isotopes issus de la désintégration de noyaux atomiques, le laboratoire Nano-analyses a pu montrer que l'étoile moribonde n'était pas la seule responsable : à un moment de son histoire, le disque protoplanétaire aurait bien, lui aussi, produit des éléments radioactifs.

La formation du système solaire
Autre mystère : pourquoi notre système solaire a-t-il la configuration qu'on lui connaît ? Comment en est-on arrivé à l'actuelle répartition des planètes gazeuses et rocheuses ? Au Laboratoire « Cassiopée Astrophysique, sciences mécaniques et analyse des données » ³ à Nice, l'astronome Alessandro Morbidelli est l'un des spécialistes français de la modélisation de l'histoire de la dynamique de notre système solaire : il tente de reconstituer comment les différentes familles d'objets – astéroïdes, comètes, planétoïdes, satellites, planètes – formées dans le disque protoplanétaire ont interagi entre elles par l'intermédiaire de la gravité pour aboutir à leur répartition actuelle. À son actif : l'explication en 2005 du bombardement intense tardif (ou late heavy bombardment, LHB) d'astéroïdes subi par la Lune, il y a 3,9 milliards d'années. Grâce à ses travaux, on sait désormais que celui-ci fut causé par des changements d'orbites de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune qui se seraient formées beaucoup plus près du Soleil que là où elles sont actuellement !
Outre la naissance de la Terre, Alessandro Morbidelli et ses collègues voudraient maintenant expliquer pourquoi le noyau des géantes gazeuses, puis les géantes gazeuses elles-mêmes n'ont pas migré sous l'effet de la gravité pour finir par disparaître absorbés par le Soleil. Si la première partie du problème résiste toujours à leur opiniâtreté, ces scientifiques sont récemment arrivés au bout de la seconde. Selon eux, si notre système solaire compte encore des géantes gazeuses, c'est en raison de la proximité du rapport de taille existant entre Jupiter et Saturne. Par l'effet combiné de leur gravité, celles-ci auraient stoppé la chute dans notre étoile de nos quatre énormes voisins !

La chasse aux exoplanètes
Enfin, depuis la détection, en 1995, de la première des exoplanètes, 51 Peg b, une géante gazeuse d'une masse de l'ordre de la moitié de celle de Jupiter, on sait donc que des systèmes planétaires existent autour d'autres étoiles que la nôtre. « Cette découverte a eu un impact majeur dans la discipline et a marqué un véritable tournant à la fois dans le domaine théorique et dans celui des observations », explique Anne-Marie Lagrange, directrice du Programme « Origine des planètes et de la vie » du CNRS et spécialiste des exoplanètes au Laog. Certes, trop d'informations manquent aux astronomes pour qu'ils puissent se faire une idée exhaustive des diverses manières dont la nature fabrique des planètes dans les disques protoplanétaires. Il est déjà si difficile de les visualiser ! Très peu d'images sont, en effet, aujourd'hui disponibles. En 2004, une équipe du Laog impliquant Anne-Marie Lagrange et Gaël Chauvin fut la première à réussir ce tour de force sur l'instrument d'optique adaptative Naco du VLT de l'Eso (Chili)⁴. Mais ce n'est qu'aujourd'hui, après quatre ans d'efforts et la collaboration d'autres scientifiques, que le groupe a pu renouveler cet exploit en réalisant un cliché d'une planète située à 8 unités astronomiques (UA) de son étoile, soit une distance inférieure à celle séparant Saturne et le Soleil.
Cependant, les données fournies par l'étude de quelque 300 exoplanètes ont d'ores et déjà mis à mal plusieurs dogmes. Principale victime de cette « révolution culturelle » : la hiérarchie des planètes. Dès la découverte en 1995 de 51 Peg, une géante gazeuse, tournant tout près de son astre en quatre jours à peine, les astronomes ont, en effet, dû ranger au placard leur modèle qui plaçait les planètes rocheuses – Mercure, Vénus, la Terre et Mars – au centre des systèmes planétaires et les géantes gazeuses – Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune – à la périphérie. D'où l'intense effort actuel pour interpréter des flots d'informations qui, chaque jour, semblent confirmer un peu plus que l'organisation de notre système solaire est probablement particulière. C'est ce que tente notamment de faire aujourd'hui Tristan Guillot, du Laboratoire Cassiopée à Nice. S'appuyant sur le premier modèle de circulation atmosphérique d'exoplanètes géantes, ce théoricien a, en 2002, expliqué la taille anormalement élevée de HD209458b, une exoplanète gazeuse – dite « Pégaside » car comparable à 51 Peg b – tournant à une distance inférieure à 0,1 UA de son astre. En mai 2006, le chercheur allait encore plus loin en découvrant un lien entre la teneur en éléments lourds de ces « Pégasides » et celle de leurs soleils. Une relation inédite entre exoplanète et étoile, et un premier pas vers une meilleure compréhension de la manière dont se forment les systèmes planétaires.

Vahé Ter Minassian

>> Entretien avec Dominique Le Quéau, directeur de l'Insu Astronomie : vers l'union mondiale Peut-on aujourd'hui développer des moyens d'observation astronomique sans une importante collaboration internationale ? Dominique Le Quéau : Très clairement non. Les enjeux actuels de l'astronomie concernent soit des objets petits et difficiles à observer, des planètes extrasolaires par exemple, soit des objets lointains. Ce qui, dans les deux cas, nécessite des instruments coûteux et de grande taille. Ainsi, pour les instruments au sol, l'Observatoire européen austral (ESO) regroupe plusieurs pays. Des exemples : le Very Large Telescope (VLT), situé dans le désert d'Atacama, au Chili, et piloté par l'ESO, ou le radiotélescope Alma, actuellement en construction lui aussi au Chili. Dans ce cas, il s'agit même d'un projet mondial, conçu comme la réunion de trois projets, européen, étatsunien et japonais. C'est une première mondiale. Et un premier pas vers de possibles projets mondiaux totalement unifiés. De même, les instruments spatiaux sont le plus souvent le fait des grandes agences, telle l'Agence spatiale européenne (ESA). Comment conjuguer cette collaboration renforcée et la compétition internationale ? D.L.Q. : Il y a ici deux aspects. Tout d'abord un aspect technologique. Celui-ci nécessite de laisser jouer la compétition le plus longtemps possible, afin de développer les meilleurs outils. Mais in fine, le coût des réalisations nécessite de collaborer. Pour l'aspect scientifique, l'attribution des temps d'observation est fonction de la qualité des projets soumis. La compétition est donc totalement ouverte. Je dirais même que les chercheurs sont particulièrement motivés par la rareté de l'accès aux outils. La taille des instruments astronomiques va croissant. Cela freine-t-il le développement de grandes collaborations internationales ? D.L.Q. : Ces projets nécessitent une coordination extrêmement complexe à mettre en œuvre. Jusqu'à maintenant, ça n'a pas été un problème. Dans le cas d'Alma, il est possible que l'exploitation de l'instrument, encore plus que sa construction, nécessite une véritable coopération internationale, qui aujourd'hui n'est pas encore tout à fait réalisée. Des discussions difficiles sont en cours. Propos recueillis par Mathieu Grousson

 

GLOSSAIRE Isotopes Les isotopes d'un même élément chimique diffèrent uniquement par le nombre de neutrons contenus dans leur noyau. Unités astronomiques Une unité astronomique correspond à la distance moyenne entre la Terre et le Soleil soit 150 millions de kilomètres.