Notre univers est rempli de "planètes flottantes"

Nous vivons à une époque où de nouvelles exoplanètes sont découvertes chaque semaine ou presque. Nous en connaissons maintenant plusieurs centaines. L'immense majorité de ces planètes sont découvertes le jour où l'étoile autour de laquelle elle gravitent les trahit. Soit elles deviennent visibles en passant devant leur soleil, créant une ombre suspecte, soit la force gravitationnelle qu'elle exercent sur leur étoile attire l'attention des astronomes.

Pourtant, il existe des planètes aussi des planètes qui ne sont liées à aucune étoile ; elles dérivent au sein de la galaxie comme des âmes en peine, après avoir été catapultées hors de leur système solaire d'origine par un objet massif ou un événement cataclysmique. D'autres sont nées dans le milieu interstellaire mais n'ont jamais eu d'étoile-mère. Ces mondes orphelins, dépourvu d'un soleil autour duquel tourner, ont reçu des noms divers et variés : planètes nomades, planémos, planètes flottantes, ou encore planètes orphelines. On estime que la Voie Lactée en accueille plusieurs milliards, ce qui a toujours beaucoup stimulé l'imagination des scientifiques et des auteurs de science fiction.

Les planètes flottantes sont enveloppées de mystère car elles sont généralement invisibles, cachées dans l'ombre de la galaxie. Mais elles ne sont pas indétectables pour autant, comme en témoigne un nouvel article publié ce lundi dans Nature.

Une équipe de scientifiques menée par Przemek Mróz, doctorant à l'Observatoire de l'Université de Varsovie, a analysé les courbes de lumière de près de 50 millions d'étoiles observées entre 2010 et 2015 grâce à l'Optical Gravitational Lensing Experiment (OGLE) de l'Observatoire Las Campanas au Chili. L'équipe a noté tous les signes de microlentilles gravitationnelles, ces phénomènes qui se produisent lorsque le champ gravitationnel d'un objet (une planète flottante par exemple) déforme une source de lumière de fond. En voici un exemple ci-dessous.

GIF: J. Skowron / Warsaw University Observatory

Mróz et ses collègues ont dévoilé cinq années d'observation de 2617 microlentilles gravitationnelles, ce qui correspond à un échantillon beaucoup plus gros que ce qu'OGLE avait collecté auparavant à l'occasion de recherches publiées en 2011 (474 événements).

La durée des microlentilles gravitationnelles est corrélée à la masse de l'objet considéré. Ainsi, certaines durent deux heures - pour les Terre et les super-Terre par exemple - et d'autres un ou deux jours (pour les mondes de la taille de Jupiter). Les microlentilles provoquées par le passage d'une étoile durent quant à elle plusieurs jours. L'équipe de Mróz a analysé la distribution statistique de la durée de ces événements, et découvert que seuls 6 des 2617 événements étudiés avaient duré moins d'une demi-journée, ce qui indique que les planètes à l'origine des microlentilles gravitationnelles étaient vraisemblablement de la même taille que la Terre. (Parmi ces objets, on suspecte que certains soient des "planètes à large orbite", c'est-à-dire des planètes gravitationnellement liées à une étoile, mais situées à si grande distance de cette dernière qu'elles passent pour des planètes orphelines).

La nouvelle étude a montré que les planètes flottantes de la taille de Jupiter étaient beaucoup plus rares que ce qu'on pensait jusque là - et ce qui était suggéré dans l'étude de 2011 - avec une limite supérieure estimée à 25 objets de la même masse que Jupiter pour 100 étoiles sur la séquence principale. C'est environ dix fois moins que les résultats proposés en 2011, a déclaré Mróz par email, ajoutant que les nouveaux chiffres "sont conformes à nos attentes, en regard des théories sur la formation planétaire".

C'est une excellente nouvelle pour tous ceux qui craignaient des collisions inattendues entre la Terre et des géantes gazeuses orphelines errant dans l'espace. Dans le cas très peu probable où cela se produirait, la Terre s'embraserait sous les forces de marée, ou serait simplement avalée par une géante gazeuse ressemblant à Jupiter. Deux perspectives peu réjouissantes.

L'équipe de Mróz a également découvert qu'au sein de la Voie Lactée, la population de planètes flottantes de la taille de la Terre était probablement énorme - environ deux Terres orphelines par étoile sur la séquence principale. Selon Mróz, il sera bientôt possible des signatures extrêmement subtiles du passage de planètes telluriques orphelines grâce à la nouvelle génération d'observatoires spatiaux, comme WFIRST et Euclid, qui devraient être lancés au cours de la prochaine décennie.

"Nous avons actuellement atteint le seuil de sensibilité maximale que puisse avoir un observatoire terrestre face aux évènements cosmiques se déroulant à des échelles de temps très courtes", a déclaré Mróz. "L'explication est très simple : depuis la Terre, nous ne pouvons observer le centre de la galaxie que dix heures par jour maximum. Les futures missions spatiales […] pourront observer ces événements en continu car elles ne seront pas affectées par les cycles nuit/jour ; leur sensibilité sera beaucoup plus élevée". Voilà qui permettra d'observer des événements super courts (qui se déroulent sur quelques heures) et des événements courts (1-2 jours).

Ces enquêtes sur les microlentilles gravitationnelles permettent de récolter des données qui seront utilisées pour recenser les planètes flottantes, et accroitre notre compréhension des mécanismes qui ont provoqué leur exil loin de leur système solaire parent. L'amélioration des techniques de détection pourrait nous aider à repérer tous les mondes errants qui pourraient entrer en collision avec la Terre, comme dans le film Melancholia de Lars von Trier (même si ces rencontres sont hautement improbables). De manière générale, les planètes "invisibles" non liées à une étoile constituent un groupe d'exoplanètes relativement peu connu. Elles pourraient pourtant nous en apprendre beaucoup sur l'évolution des systèmes stellaires, et sur la répartition de la vie dans l'univers.

"Je pense que nous observations nous aideront à affiner nos théories sur la formation planétaire", ajoute Mróz. "Pendant longtemps, les scientifiques ont prédit que certaines planètes pourraient être éjectées de leur système solaire parent au cours du processus de formation planétaire. Ces planètes-là n'émettent pas de lumière, et les microlentilles gravitationnelles sont le seul et unique phénomène qui nous permet de les détecter."