Le prix Nobel de physique 2019 a été attribué pour « les contributions à notre compréhension de l’évolution de l’univers et de la place de la Terre dans le cosmos ». La moitié du prix est allée au cosmologiste Jim Peebles, et l’autre moitié a été attribuée conjointement à Michel Mayor et à mon collègue Didier Queloz pour la première découverte d’une exoplanète en orbite autour d’une étoile semblable au soleil. En tant que personne ayant passé une décennie à étudier les exoplanètes, je sais que ce prix marque une reconnaissance longtemps attendue de l’une des plus grandes révolutions de l’astronomie moderne, une révolution qui a radicalement changé notre perception de notre place dans l’univers.
Une exoplanète, ou planète extrasolaire, est une planète en orbite autour d’une étoile au-delà de notre système solaire. Pendant des milliers d’années, à travers de nombreuses civilisations, les humains se sont demandés si des mondes existaient au-delà de la Terre et du système solaire. Il est humiliant de réaliser que cette question a reçu une réponse il y a seulement 24 ans.
En 1995, Mayor et Queloz ont découvert une exoplanète géante en orbite autour d’une étoile semblable au soleil, 51 Pegasi. La planète, connue sous le nom de 51 Peg b, avait une masse similaire à celle de Jupiter mais était 100 fois plus proche de son étoile hôte, ce qui lui conférait une température de plus de 1 000℃. La découverte était radicale à bien des égards, notamment parce qu’elle était tout à fait différente des planètes de notre système solaire et qu’elle contredisait les théories sur la formation et l’évolution des planètes.
Dans notre système solaire, les planètes géantes telles que Jupiter et Saturne sont cinq à dix fois plus éloignées du soleil que la Terre et ont des températures inférieures à -100℃. On pensait que Jupiter et Saturne s’étaient formées dans un disque gazeux autour du soleil naissant par accumulation de gaz et de glace, peut-être même plus loin du soleil qu’elles ne le sont actuellement. La découverte d’un « Jupiter chaud » situé si près de son étoile a fourni le premier indice que les planètes pouvaient se former d’une manière extrêmement diverse en dehors de notre système solaire.
La découverte de 51 Peg b a été le résultat à la fois de prouesses technologiques et de sérendipité. Tout d’abord, ils avaient accès à ce qui était à l’époque l’un des instruments les plus précis au monde pour mesurer les longueurs d’onde de la lumière provenant d’autres étoiles, le spectrographe ELODIE de l’Observatoire de Haute-Provence, dans le sud de la France. Mais le temps nécessaire pour rassembler les preuves de l’existence d’une exoplanète dépend de sa masse, de sa distance à l’étoile et du temps qu’il lui faut pour accomplir une orbite.
Les théories existantes et le modèle de notre système solaire faisaient que les scientifiques ne s’attendaient pas à trouver rapidement de grosses planètes à orbite courte. Personne ne les recherchait donc activement à l’époque. Mayor et Queloz menaient ce qu’ils pensaient être un programme à long terme qui pourrait prendre des années avant de trouver une planète autour d’une autre étoile. Mais, environ un an après le début des observations, ils ont découvert les premiers signes que les théories planétaires existantes étaient incomplètes.
Leur découverte est intervenue grâce à une technique connue sous le nom de méthode des vitesses radiales. Lorsqu’une planète tourne autour d’une étoile, celle-ci se déplace également sur une orbite similaire, mais beaucoup plus petite, autour du centre de masse de l’ensemble du système. En d’autres termes, l’attraction gravitationnelle de la planète sur l’étoile fait vaciller celle-ci autour d’un point situé entre elles.
En raison de ce mouvement, la lumière de l’étoile vue de la Terre change, dans ce qu’on appelle un décalage Doppler. Lorsque l’étoile se déplace vers un observateur, sa lumière a des longueurs d’onde plus petites que lorsque l’étoile est immobile, ce qui fait que la lumière apparaît plus bleue. Lorsque l’étoile s’éloigne de l’observateur, la lumière passe à des longueurs d’onde plus grandes et plus rouges.
Détecter périodiquement de tels décalages de longueur d’onde indique qu’un autre objet, en l’occurrence une planète, est en orbite autour de l’étoile. Et en les mesurant au fil du temps, vous pouvez calculer la vitesse à laquelle l’étoile se rapproche ou s’éloigne de vous (la vitesse radiale) et la durée de l’orbite de la planète. La vitesse radiale maximale vous donne une mesure de la masse de la planète, car les planètes plus grandes situées plus près de l’étoile font que celle-ci se déplace plus rapidement.
Le mouvement du soleil dû à Jupiter a une vitesse radiale maximale de 13 m/s, et l’orbite de la planète prend 12 ans. Cela signifie que la détermination précise de la masse et de l’orbite complète d’une planète semblable à Jupiter autour d’une étoile semblable au soleil prendrait 12 ans en utilisant un spectrographe de mesure de la lumière précis à quelques m/s près. Trouver une planète semblable à la Terre autour d’un soleil serait encore plus difficile car la vitesse radiale maximale ne serait que de 9 cm/s.
Au début des années 1990, les meilleurs spectrographes sur Terre étaient capables de précisions de plus de 10 m/s, ce qui signifie qu’ils n’étaient pas capables de détecter des planètes aussi grosses, lentes et éloignées d’une étoile que Jupiter. Mais 51 Peg b était une planète de la taille de Jupiter, 100 fois plus proche de son étoile, avec une orbite de seulement 4,2 jours au lieu de 12 ans. Cela signifie que sa vitesse radiale maximale était nettement plus élevée, à près de 60 m/s, bien dans la portée du spectrographe de Mayor et Queloz.
Après avoir trouvé les premiers signes d’une planète avec une orbite aussi courte, les deux scientifiques ont fait d’autres observations et des analyses détaillées qui ont confirmé les propriétés de ce que nous connaissons maintenant comme le Jupiter chaud, 51 Peg b. Malgré l’examen intense auquel les résultats ont été soumis, leurs conclusions ont été rapidement confirmées par d’autres équipes utilisant d’autres instruments.
La découverte révolutionnaire de 51 Peg b par Mayor et Queloz a déclenché une avalanche d’observations astronomiques au cours des deux décennies suivantes, révélant l’ubiquité et la diversité des exoplanètes que nous connaissons aujourd’hui. Plus de 4 000 exoplanètes sont désormais connues, couvrant toute la gamme des propriétés planétaires, depuis les jupiters chauds jusqu’aux planètes de la taille de la Terre dans la zone habitable de leur étoile hôte. Cela signifie qu’il existe des planètes qui sont probablement à la bonne température pour que de l’eau liquide existe à leur surface et que la vie telle que nous la connaissons puisse évoluer.