La mission de Plato : enquêter sur les systèmes planétaires

Frédéric Baudin, Université Paris Sud – Université Paris-Saclay

Notre étoile le Soleil, malgré sa proximité, pose encore bien des questions. Mais que savons nous des autres étoiles, situées à des distances incommensurables à l’échelle humaine ? En quoi sont elles différentes du Soleil ? Abritent-elles aussi un cortège de planètes comme celles qui gravitent autour de notre Soleil ?

Pour répondre à ces questions, nous disposerons bientôt d’une nouvel outil très puissant : la mission PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars), menée par l’Agence Spatiale Européenne (ESA selon son acronyme anglais) avec un consortium de laboratoires et d’agences spatiales nationales (le CNES pour la France). Cette mission a été officiellement « adoptée » (c’est à dire confirmée dans le jargon de l’agence) le 21 juin dernier pour intégrer définitivement le programme de l’ESA.

Méthode du transit

Quels sont ses objectifs ? Comme d’autres missions de détection d’exoplanètes, PLATO utilise la méthode du transit : quand une planète passe (« transite ») entre son étoile et l’observateur, elle cache une petite partie du disque stellaire et cela entraîne une baisse (très faible, de l’ordre de 0,01 %) de la luminosité de l’étoile. Cette méthode a été utilisée par d’autres missions spatiales comme Corot ou Kepler. Ainsi, plusieurs milliers d’exoplanètes ont été détectées en orbite autour d’autres étoiles dans notre galaxie.

PLATO va plus loin que cette simple détection. Le Soleil et les étoiles en général sont le siège de vibrations qui se manifestent en surface comme de grandes vagues soulevant la surface de l’étoile. Ces mouvement sont accompagnés de compressions et dilatations du plasma qui compose l’étoile, ce qui induit des variations de luminosité que pourra détecter PLATO. Ces mouvements de surface ne sont que la partie visible d’ondes (acoustiques pour beaucoup) qui se propagent dans toute l’étoile, jusqu’en son centre pour certaines de ces ondes. Elles sont donc détectées en surface mais portent une information sur les couches internes de l’étoile qu’elles ont traversées : température, densité, etc… On peut ainsi en tirer une mesure de la densité moyenne de l’étoile ainsi que des informations sur la structure du cœur, là où ont lieu les réactions de fusion nucléaire fournissant son énergie à l’étoile.

Ces observations permettent alors de caractériser l’étoile en termes de masse, de taille (rayon de l’étoile) et d’âge, et ce de manière très précise grâce à cette analyse sismique, de loin la plus performante pour ces mesures. Cet aspect est fondamental : de nombreuses planètes ont déjà été détectées, de nombreuses étoiles ont déjà été sondées sismiquement, mais très peu d’étoiles ont pu être l’objet de ces deux analyses simultanées. C’est là l’atout majeur de la mission PLATO qui va réaliser cette double analyse pour des dizaines de milliers d’étoiles.

Un autre atout de PLATO est sa complémentarité avec des observations faites à l’aide de télescopes au sol. En effet, des observations au sol permettent d’enrichir les résultats obtenus à partir d’observations spatiales. PLATO se focalisera sur des étoiles relativement brillantes, ce qui facilite grandement la tâche des télescopes au sol. La caractérisation des étoiles et des planètes qui les entourent en sera donc d’autant plus aisée.

Longues périodes d’observation

PLATO pourra donc poursuivre plusieurs objectifs scientifiques. D’abord détecter un grand nombre de systèmes planétaires autour d’autres étoiles que la nôtre. Une attention particulière sera portée à des systèmes ressemblant au nôtre. C’est là qu’intervient un autre avantage : ses analyses s’appuieront sur de très longues périodes d’observations (2 ans typiquement). Ainsi, on pourra détecter en nombre des planètes qui ont une orbite similaire en durée à celle de notre Terre ou des planètes de notre système (une « année » martienne dure 687 jours). Et donc peut être identifier une planète similaire à la Terre autour d’une étoile similaire au Soleil.

Les recherches porteront de manière plus générale sur les planètes qui sont à une distance de leur étoile hôte telle que la température attendue soit compatible avec l’existence d’eau sous forme liquide. Ce critère, certes trop simple pour embrasser toute la complexité des atmosphères planétaires, donne une idée de l’« habitabilité » d’une planète, c’est à dire la possibilité pour une forme de vie similaire à ce que l’on rencontre sur Terre de s’y développer.

Jupiters chauds

Au delà, Plato s’intéressera aux systèmes dits exotiques. Les systèmes planétaires observés jusqu’ici sont très souvent bien différents du nôtre. En particulier, certains présentent ce que l’on appelle maintenant des Jupiters chauds : des planètes de la taille de Jupiter mais sur une orbite très proche de l’étoile hôte, alors que « notre » Jupiter est très éloigné du Soleil et présente donc des températures très basses en surface (inférieures à -100 °C). La découverte de ces systèmes très différents du nôtre fut une grande surprise. On pensait en effet que les processus de formation de planètes autour d’une étoile menaient à des planètes rocheuses de petite taille près de l’étoile (comme Mercure, Vénus, la Terre et Mars), et des planètes gazeuses géantes plus loin de l’étoile (comme Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune).

Dans cette quête, il faut cependant tenir compte de ce que l’on appelle un « biais observationnel » : d’une part, les grosses planètes comme Jupiter sont plus faciles à détecter que de petites planètes comme la Terre. On va donc les détecter en nombre. D’autre part, les lois de la physique nous indiquent qu’une planète proche de son étoile aura forcément une période de révolution courte. Il faudra donc observer moins longtemps pour les détecter, ce qui crée un autre biais favorable. En effet, certains de ces Jupiters chauds sont tellement proches de leur étoile qu’ils en font le tour en 4 ou 5 jours ! Pour les découvrir, pas besoin d’observer les 10 ans que durent la révolution de notre Jupiter autour de notre Soleil !

Systèmes exotiques

Cependant, ces systèmes « exotiques » existent bel et bien. La question qui se pose est donc de comprendre pourquoi ils sont si différents du nôtre. Pour cela, il faut comprendre le système dans sa globalité, étoile ET planètes. Donc en connaître les caractéristiques. Quelle est la taille et la masse de l’étoile ? L’analyse sismique nous le dira. Cela permettra ensuite d’évaluer la masse et la taille des planètes, qui sont mesurées de manière relative par rapport à celles de l’étoile hôte. Il en va de même pour l’âge du système : planètes et étoile centrale se forment à peu de choses près en même temps, donc mesurer l’âge de l’étoile par analyse sismique permet de connaître l’âge des planètes qui l’entourent. Et ainsi de savoir si le système vient de se former ou s’il évolue depuis des milliards d’années. Tout cela permettra une vue d’ensemble sur laquelle pourront s’appuyer les scientifiques qui tentent de comprendre comment se forment et évoluent les systèmes planétaires.

C’est à cette tâche que vont s’atteler les scientifiques de toutes nationalités qui s’impliquent dans la mission PLATO. Il reste encore un long chemin à parcourir car le lancement est prévu pour 2027.

Frédéric Baudin, Enseignant-Chercheur à l’Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris Sud – Université Paris-Saclay

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.