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A la recherche des exoplanètes

Des milliards de Terre (II)

Alpha du Centaure, Rigil Kentaurus

D'abord une rectification de la nomenclature. En 2016, l'UAI modifia le nom de l'étoile "Alpha du Centaure" (α Centauri) désigné par l'astronome Johann Bayer au XVIIe siècle dans son atlas céleste "Uranometria" (1603) et lui assigna le nom de "Rigil Kentaurus". En fait, ce nom n'est pas nouveau car depuis des siècles α Centauri s'appelle également "Rigel kent" diminutif de "Al Rijl al Kentaurus" signifiant "la jambe du centaure" par référence à la mythologie grecque mais ce nom était peu usité tout comme ses autres dénominations d'origine arabe "Toliman" et "Bungula".

Rigil Kentaurus alias Gliese 559 se situe dans la constellation du Centaure (A.D. 14h 39m 35.88s, Décl. -60° 50' 13.4") à 4.367 années-lumière. Elle brille à la magnitude visuelle de -0.01 (V) pour une magnitude absolue de +4.3. Elle culmine dans le ciel de l'hémisphère Sud au mois de mai. C'est un système triple qui fut découvert par Robert Innes en 1915. Rigil Kentaurus est une étoile double (Alpha Centauri AB).

La composante A est une étoile naine jaune très similaire au Soleil de classe spectrale G2V qui présente une masse de 1.1 M, un rayon de 1.227 R et une luminosité de 1.5 L pour une température effective de 5800 K. On estime que cette étoile est âgée entre 4.8 et 6.8 milliards d'années. La composante B est une étoile naine orange de classe spectrale K1V qui présente une masse de 0.907 M, un rayon de 0.865 R et une luminosité d'environ 0.5 L pour une température effective de 5260 K. On estime que cette étoile est également âgée entre 4.8 et 6.8 milliards d'années. La masse totale du système AB est d'environ 2.12 M. Les deux étoiles bouclent une révolution autour de leur barycentre commun en 80 ans sur une orbite excentrique variant entre 11.2 et 35.6 UA. Leur séparation angulaire augmente, passant de 4.0" en 2015 à 5.5" en 2020.

Ces deux étoiles sont accompagnées par une troisième composante, la fameuse étoile Proxima du Centaure (voir plus bas).

Alpha Centauri Bb... se fait attendre

En 2012, Xavier Dumusque de l'Observatoire de Genève en Suisse et son équipe de l'ESO annonçèrent la découverte d'une exoplanète autour d'Alpha du Centaure B d'une période de 3.24 jours. Toutefois, selon une étude publiée en 2015 par Vinesh Rajpaul et ses collègues de l'Université d'Oxford, il s'agissait en fait d'un signal fantôme dans les données originales.

A gauche, une photo d'Alpha du Centaure (Rigil Kentaurus, Mv -0.01, rouge-orange) séparée de 4°22' de Beta du Centaure (Hadar, Mv 0.55, en bleu) enregistrée par Alan Dyer avec un APN Canon 5D équipé d'un téléobjectif de 135 mm f/4 L. Exposition de 6x 4 minutes à 400 ISO depuis Ilford en Australie le 15 avril 2007. A droite, les courbes d'intensité lumineuse du rayonnement X (Lx 0.2-2 keV) des étoiles Alpha du Centaure A et B comparées à celle du Soleil. Le cycle de A est d'environ 19 ans tandis que celui de B est de 8 ans, légèrement plus court que le cycle solaire de 11 ans. Document T.R. Ayres (2018).

Après avoir revu les données spectrométriques jusqu'en 2008 et procédé à diverses simulations, fin 2017 Lily L. Zhao étudiante à l'Université de Yale et ses collègues ont annoncé qu'il était possible qu'une petite exoplanète orbite tout de même autour d'Alpha du Centaure B. Selon les simulations, sa masse serait inférieure à 8 masses terrestres (~la moitié de Neptune). De même, il est possible qu'une exoplanète inférieure à 50 masses terrestres (~la moitié de Saturne) gravite autour d'Alpha du Centaure A. Zhao confirma qu'il est même possible que de petites exoplanètes de moins 0.5 masse terrestre gravitent autour de Proxima du Centaure. Mais à ce jour, aucune nouvelle exoplanète n'a été détectée.

Activité X normale

La question de l'habitabilité potentielle dans le système d'Alpha du Centaure est un sujet qui tient les exobiologistes à coeur. Suite à la recrudescence de l'activité X d'Alpha du Centaure A en 2004-2005 (cf. J. Robrade et al., 2005), ce système multiple fait l'objet d'une surveillance semi-annuelle depuis cette époque. Dans le cadre de ce programme, l'astrophysicien Tom Ayres de l'Université du Colorado a récemment braqué la caméra haute résolution (HRC-I) du télescope rayons X Chandra sur Alpha du Centaure. Ses résultats furent publiés dans les Notes de Recherches de l'American Astronomical Society ("RN AAS") en 2018.

Il s'avère que la couronne des étoiles A et B est relativement modeste (1 million de K) et n'émet pas plus de rayons X que le Soleil. Comme on le voit ci-dessus à droite, la luminosité X d'Alpha Centauri AB dans la bande 0.2-2 keV est similaire à celle du Soleil pendant le cycle minimum de son activité, ce qui est une très bonne nouvelle si d'aventure on découvre l'hypothétique et timide exoplanète.

Proxima b

Les astronomes découvrirent assez rapidement que Proxima du Centaure était l'étoile la plus proche du système solaire, qu'on situe aujourd'hui à 1.3 pc ou 4.243 années-lumière (parallaxe de ~768 mas) soit 0.124 année-lumière ou 7842 UA plus proche que le couple Alpha Centauri AB. Proxima du Centaure dont on voit deux images ci-dessous est une étoile naine rouge de 0.12 M et de classe spectrale K5 très active, présentant notamment un vent stellaire très puissant et d'importantes et gigantesques éruptions de matière.

A gauche, photo d'Alpha du Centaure A et B et de Proxima b orbitant autour de Proxima Centauri. A droite, gros-plan sur Proxima du Centaure photographiée en 2013 au moyen de la caméra planétaire à large champ WFPC2 du Télescope Spatial Hubble. Documents Babak Tafreshi/DSS2/Davide de Martin/Mahdi Zamani et NASA/ESA/STScI.

En 1996, dans le cadre d'une étude de six étoiles naines brunes proches de classe spectrale M, Al Schultz du STScI et son équipe utilisèrent le spectrographe FOS du Télescope Spatial Hubble utilisé comme caméra coronographique pour étudier Proxima du Centaure. Suite à cette étude, deux ans plus tard ils annoncèrent dans l'"Astronomical Journal" avoir observé un excès de lumière à 0.5" de Proxima du Centaure. Sur une période de 103 jours, ce point lumineux se déplaça sur le fond du ciel, laissant penser qu'il pourrait s'agir d'une exoplanète. Observé en lumière rouge, l'objet semblait distant d'environ 0.5 UA de l'étoile et paraissait environ 7 magnitudes plus faibles que celle-ci (Mv ~18). A l'époque, la période de révolution de cette éventuelle exoplanète était estimée à plus ou moins 1 an.

Mais en 1998, les astronomes David Golimowski de l'Université Johns Hopkins et Daniel Schroeder du Beloit College furent incapables de détecter l'éventuelle exoplanète dans les images prises par la caméra grand champ WFPC2 du Télescope Spatial Hubble; il n'existait rien entre 0.12 et 1.1 UA de Proxima du Centaure.

En 1999, une analyse astrométrique (mesure de positions) conduite par Fritz Benedict de l'Observatoire McDonald et ses collègues ne trouva aucune preuve de l'existence d'une exoplanète de plus de 0.8 Mj et d'une période comprise entre 1-1000 jours autour de Proxima du Centaure.

En résumé, si toutes ces observations furent négatives, elles apportaient de nouvelles contraintes très utiles : s'il existait une exoplanète, elle devait soit évoluer à moins de 0.12 UA et être peu massive soit évoluer à plus de 1.1 UA et être aussi massive que Jupiter.

Illustration de l'anneau de poussière entourant Proxima du Centaure découvert en 2017 grâce à ALMA. Document ESO.

En 2012, l'équipe dirigée par Guillem Anglada-Escudé de la Carnegie Institution de Washington publia dans l'"Astrophysical Journal" les résultats d'une étude des mesures Doppler réalisées grâce au spectromètre HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) installé sur le télescope de 3.6 m de l'Observatoire de La Silla de l'ESO. Grâce à un nouvel algorithme d'analyse, les auteurs avaient détecté un signal très marginal d'une période de 5.6 jours mais qui ne permit pas de confirmer l'existence d'une exoplanète autour de Proxima du Centaure.

Finalement en 2014, dans le cadre d'une étude à long terme des étoiles proches du Soleil, une équipe dirigée par John Lurie de l'Université de Washington publia dans l"'Astronomical Journal" les résultats de près de 13 années de mesures astrométriques de Proxima du Centaure réalisées par les astronomes de l'Observatoire du CTIO. Ces résultats montraient l'existence possible d'un astre de la masse de Jupiter ayant une période de révolution comprise entre 2-12 ans. Cette exoplanète graviterait donc au-delà de 1 UA et loin en dehors de la zone habitable. A ce jour, cette éventuelle exoplanète géante n'a pas été découverte.

En revanche, dans le cadre d'une nouvelle campagne intitulée "Pale Red Dot", les astronomes ont eu la bonne idée réexaminer ce système triple début 2016. Cet examen suscita des rumeurs dont le magazine allemand "Der Spiegel" se fit l'écho. Le journaliste cita une source anonyme qui prétendait travailler avec une équipe d'astronomes de l'ESO à La Silla, déclarant qu'une exoplanète aurait été découverte autour de Proxima du Centaure en 2016. Et de fait, après la période habituelle d'embargo, le 24 août 2016, au cours d'une conférence de presse l'ESO annonça la découverte d'une exoplanète tellurique autour de Proxima du Centaure : Proxima b.

Puis en novembre 2017, l'ESO annonça la découverte par l'équipe de Gillem Anglada du CSIC d'Andalousie en Espagne d'un anneau de poussière autour de Proxima Centauri qui fut découvert grâce au réseau submillimétrique ALMA. L'anneau s'étend jusqu'à quelques centaines de millions de kilomètres de Proxima Centauri et sa masse totale est d'environ un centième de la masse de la Terre. Ses parties internes et externes sont similaires à la Ceinture d'astéroïdes du système solaire. La température de sa composante interne est d'environ -230°C, similaire à celle de la Ceinture de Kuiper du système solaire, mais sa composante extérieure qui est dix fois plus éloignée est encore plus froide.

Paramètres

La masse de Proxima b vaut environ 1.3 fois celle de la Terre et elle gravite à 0.05 UA soit 7 millions de kilomètres de Proxima du Centaure, l'équivalent de 5% de la distance Terre-Soleil ou 10% de la distance Mercure-Soleil. Contrairement à ce qu'on pourrait penser, cette proximité ne veut pas dire que sa température de surface est élevée car le rayon de l'étoile naine vaut seulement 1/10e de celui du Soleil et sa luminosité est 1000 fois plus faible. Proxima b gravite donc dans la zone habitable de Proxima du Centaure et tellement près de l'étoile qu'elle boucle sa révolution en 11.2 jours. Proxima b reçoit toutefois 100 fois plus d'énergie que la Terre.

Illustrations de l'exoplanète Proxima b orbitant autour de Proxima du Centaure, une étoile naine rouge située à 4.24 a.l. agencée en système triple. Documents T.Lombry.

Proxima b présente une rotation synchrone, c'est-à-dire qu'elle présente toujours la même face à son étoile. Si nous savons déjà que cette exoplanète est rocheuse avec un rayon minimum de 0.94 R soit 5989 km et un rayon maximum de 1.40 R soit 9819 km. En considérant sa taille minimale et une masse de 1.1 M, sa composition pourrait être similaire à celle de Mercure, avec un noyau métallique représentant 65% de la masse de l'exoplanète (contre 32.5% pour la Terre) entouré d'un manteau rocheux de silicates séparé en deux phases. La limite entre les deux matériaux se situerait vers 1500 km de profondeur.

Nous ignorons encore la nature de sa surface, si Proxima b dispose d'étendues liquides, de surfaces glacées ou désertiques. Selon une étude publiée dans les "Astrophysical Journal Letters" en 2016 par le planétologue Bastien Brugger du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM) en collaboration avec Jonathan I. Lunine de l'Université Cornell, Proxima b pourrait être une "planète océan" avec un océan couvrant toute sa surface et une eau de nature similaire à celle que pourraient avoir certaines lunes de Jupiter ou de Saturne.

Si sur Terre la masse d'eau ne dépasse pas 0.05% de la masse de la Terre, si on considère cette fois que Proxima b mesure 8920 km de rayon, pour une masse de 1.46 M le manteau rocheux représentait 50% de la masse et serait entouré d'eau à l'état solide puis liquide représentant également 50% de la masse. Dans ce cas, Proxima b serait couverte d'un océan liquide de 200 km de profondeur. Dans les abysses la pression serait tellement élevée que l'eau se transforme en solide, en glace, avant d'arriver à la limite avec le manteau situé à 3100 km de profondeur. Dans ces conditions extrêmes, une fine atmosphère gazeuse pourrait envelopper l'exoplanète, rendant Proxima b habitable.

A gauche, diagramme masse-rayon comparant les positions de plusieurs exoplanètes connues à celles de planètes du système solaire. Les courbes correspondent à certaines compositions spécifiques utilisées dans le modèle de structure interne utilisé par l'équipe de Bastien Brugger du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM). La zone d’existence de Proxima b, dessinée en gris, prend en compte l’incertitude sur sa masse minimale et ses différentes compositions possibles. La masse réelle de Proxima b peut aussi se trouver au-delà de cette zone grisée. A droite, comparaison des deux cas extrêmes de modélisation de Proxima b comparés à la Terre. A gauche, le plus grand rayon autorisé (65% de noyau métallique, entouré d’un manteau rocheux séparé en deux phases) et à droite, le plus grand rayon autorisé (50% de manteau rocheux entouré d’une couche d’eau sous forme solide puis liquide). Documents B.Brugger et al./LAM/CNRS (2016).

Éruptions X

Qu'en est-il de l'habitabilité potentielle sur Proxima b ? Les simulations et quelques études indiquent que Proxima b subirait les effets néfastes des rayons ultraviolets et X de son étoile chaude bien plus active que le Soleil. Dans un article publié en 2018 dans les "Astrophysical Journal Letters", la planétologue Meredith MacGregor de l'Institut Carnegie des Sciences et ses collègues ont rapporté l'observation d'une gigantesque éruption sur Proxima du Centaure survenue le 24 mars 2017. Elle fut enregistrée par le réseau radioastronomique ACA (Atacama Compact Array) constitué de 16 antennes du réseau ALMA séparées de 7 m chacune fonctionnant à 1.3 mm (233 GHz) de longueur d'onde. Comme on le voit ci-dessous, l'éruption qui dura moins de 2 minutes sur les 10 heures d'observation atteignit pendant 10 secondes une densité de flux d'environ 100 mJy[1] soit 1000 fois plus brillante que les émissions normales de l'étoile.

À ce jour, très peu d'études ont été réalisées dans ce domaine de longueurs d'ondes sur les éruptions stellaires des étoile naines rouges similaires à Proxima du Centaure mais les chercheurs savent que celle de 2017 fut très intense. En effet, à son paroxysme cette éruption atteignit une luminosité de 2.04 ±0.15 x 1014 erg/s/Hz soit 10 fois plus intense que les plus importantes éruptions observées sur le Soleil aux mêmes longueurs d'onde (sursauts de Type III de 7 x 108 Jy ou 2 x 1013 erg/s/Hz selon S.Kruger et al., 2013). A titre de comparaison, on peut imaginer que cette éruption dépassait de dix fois la taille des plus grandes protubérances solaires avec dix fois la puissance d'une éjection de matière coronale (CME). Sachant combien celles-ci peuvent déjà endommager les installations terrestres et créer des blackouts (cf. les aurores et les défaillances des satellites), il ne doit pas faire bon vivre sur Proxima b !

A gauche, combinaison des émissions millimétriques enregistrées par ACA pendant 12 sessions d'observations (à gauche, situation normale) et le pic d'émission enregistré le 24 mars 2017 pendant moins de 2 minutes (centre). A droite, la densité de flux lors de l'éruption du 24 mars 2017. Elle fut 1000 fois plus intense que les émissions normales représentées par la ligne pointillée. La largeur du pic à sa base (5 tirets) correspond à une durée d'environ 30 secondes. Documents Meredith MacGregor et al. adapté par l'auteur.

Habituellement, de telles éruptions stellaires se produisent lors d'un changement dans le champ magnétique, par exemple lorsque une étoile accélère les électrons à des vitesses approchant celles de la lumière. Les électrons interagissent ensuite avec le plasma hautement chargé de l'étoile, ce qui provoque une éruption visible dans le spectre électromagnétique (cf. le champ magnétique du Soleil).

Selon MacGregor, il est fort probable que Proxima b fut bombardée par des rayonnements de haute énergie pendant ce flash lumineux. De toute évidence, étant donné l'intensité de cette éruption, résider dans la "zone habitable" ne veut pas dire que Proxima b soit habitable, d'autant que cette planète subit régulièrement des éruptions stellaires, mais généralement de beaucoup plus faible intensité.

Mais ce type d'éruption semble assez commun sur Proxima du Centaure. En effet, contrairement à Alpha du Centaure ou le Soleil qui émettent relativement peu de rayons X, rendant la vie très agréable sur la Terre, la surface de Proxima b reçoit en moyenne une dose de rayons X 500 fois plus intense que notre planète et jusqu'à 50000 fois plus intense durant les grandes éruptions.

Au cours des milliards d'années qui se sont écoulées depuis la formation de Proxima b, des éruptions aussi importantes ont pu conduire à l’évaporation de son atmosphère ou des océans. Dans ce cas, sa surface serait totalement désertique et sèche et sa taille serait un peu plus faible que dans le cas d'une planète océan. Selon MacGregor, "la présence de la vie sur une exoplanète n’est pas seulement liée à une distance de son étoile qui permet la présence d’eau liquide à sa surface, mais aussi aux éruptions stellaires qui peuvent l’atteindre".

Il ne fait aucun doute que Proxima b fera l'objet de nombreuses recherches dans les prochaines années. La mesure des abondances stellaires en éléments lourds (Mg, Fe, Si, etc.) permettra notamment de restreindre les compositions possibles de Proxima b tout en permettant de déterminer plus précisément son rayon.

On peut même certifier que le jour où des télescopes optiques de plusieurs dizaines de kilométriques de diamètre seront opérationnels (dans l'espace ou sur la Lune), les astronomes auront la possibilité d'observer directement des détails de son atmosphère ou de sa surface.

Observation autorisée, débarquement interdit

Sachant ce qui vient d'être dit, pour la santé des éventuels voyageurs spatiaux, personne ne devrait s'approcher à moins de 0.1 ou 0.5 UA de Proxima du Centaure et encore moins mettre le pied sur sa planète.

Avant d'envisager une mission habitée vers Proxima b, il est important de comprendre l'activité de Proxima du Centaure car elle joue un rôle clé comme l'est celle de l'activité cyclique du Soleil. L'étude de ses émissions électromagnétiques (X) et corpusculaires (éruptions de protons) est essentielle pour comprendre les dangers des rayons X et cosmiques dont l'impact à forte dose peut s'avérer délétère pour toute forme de vie, et plus encore pour une civilisation technologique comme la nôtre.

Vu les conditions extrêmes du temps spatial régnant dans la zone "habitable" de Proxima b, les conditions climatiques ne doivent pas être très favorables. À moins de vouloir à tout prix détruire l'électronique de la sonde spatiale et irradier ses occupants, il paraît de moins en moins intéressant d'y envoyer une mission d'exploration habitée, et encore moins d'y installer une colonie humaine.

Nous reviendrons sur l'étoile Proxima du Centaure dans l'article consacré à la diversité des étoiles en particulier à propos des naines rouges.

Prochain chapitre

Trappist-1

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[1] Pour rappel, 1 Jy = 10-23 erg/s/cm2/Hz = 10-26 W/m2/Hz.


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