Les lauréats du Prix Nobel de physique 2019 ont été révélés en ce mois d’Octobre : le cosmologue américain James Peebles et les deux astrophysiciens suisses Michel Mayor et Didier Queloz ont été récompensés « pour leurs contributions à la compréhension de l’évolution de l’univers et la place de la Terre au sein du cosmos ». Le célébrissime prix donne un coup de projecteur sur le domaine passionnant de la recherche d’exoplanètes et sur la cosmologie moderne, l’occasion pour Berthine de parler à nouveau d’astronomie.
Les scientifiques primés ont posé les pierres angulaires pour répondre aux questions fondamentales sur le cosmos. Que s’est-il passé pendant la petite enfance de l’univers et que s’est-il passé ensuite ? Pourrait-il y avoir d’autres planètes en orbite autour d’autres soleils ?
James Peebles pour « ses découvertes théoriques en cosmologie »
Le travail de Peebles s’inscrit dans l’étude de l’origine et de l’histoire de l’Univers. On peut considérer que ses travaux et notamment son ouvrage « Physical Cosmology » (1971) ont marqué un tournant dans la cosmologie en tant que science. Avant lui, les spéculations sur le sujet étaient plutôt théoriques voire philosophiques, et il a fait évoluer le domaine dans un contexte ou les observations et les expériences scientifiques venaient appuyer ou réfuter les théories.
On a tous entendu parler du fameux modèle du « Big Bang« , mais que sait-on réellement de la naissance du cosmos?
A l’origine, il y a 14 milliards d’années, l’univers était extrêmement chaud et dense. Il était composé d’une soupe de particules compacte, chaude et opaque de laquelle les particules de lumière ne pouvaient s’échapper. Depuis lors, l’univers s’est agrandi et est devenu plus froid. À peine 400 000 ans après le Big Bang, l’univers est devenu transparent et les rayons lumineux ont pu voyager dans l’espace. Aujourd’hui, ce rayonnement fossile nous parvient encore, et porte avec lui les nombreux secrets de l’univers primordial. Des outils théoriques et des calculs ont permis à James Peebles d’interpréter ces messages du passé et de découvrir la physique passionnante des premiers instants.
Notamment, l’étude théorique et les observations réalisées par la suite ont permis d’estimer la quantité de matière créée dans le Big Bang. C’est alors qu’un des plus grands mystères de la physique est né: si l’on considère la matière telle qu’on la connaît… Il en manque. Et beaucoup, même.
D’après les théories actuelles, seulement cinq pour cent de ce qui compose l’univers est connu: la matière qui constitue les étoiles, les planètes, les arbres – et nous. Le reste constitue l’un des plus grands défis de la physique moderne: la matière noire inconnue et l’énergie noire.
Michel Mayor et Didier Queloz pour « la découverte d’une exoplanète orbitant autour d’une étoile type solaire »
Comprendre le cosmos, sa naissance, son évolution est aujourd’hui une science à part entière, de même que la recherche de la réponse à une question non moins fondamentale: La vie existe-t-elle ailleurs que sur Terre?
Le 6 Octobre 1995, Michel Mayor et Didier Queloz apportent un élément de réponse considérable. Ils annoncent lors d’une conférence d’astronomie la découverte de la première planète orbitant autour d’une étoile de type solaire: la planète 51 Pegasi b. Son nom l’indique: son étoile est 51 Pegasi, dans la constellation de Pegase.
Cette découverte est sensationnelle : pour la première fois, une planète n’orbitant pas autour de notre étoile, le Soleil, est observée par des instruments: c’est une exoplanète.
51 Pegasi b crée la surprise dans la communauté scientifique. C’est une géante gazeuse d’un volume similaire à Jupiter – soit environ 1300 fois celui de la Terre – orbitant très proche de son étoile. On imaginait alors que l’histoire de la formation d’un système planétaire favorisait la formation de ce type de géante loin de l’étoile, comme le cas de notre système solaire.
Comment découvre-t-on une exoplanète?
C’est une question que l’on peut en effet se poser ! Si, depuis votre jardin, vous voulez donner votre nom à un tout nouveau caillou dans l’Univers, quel est le mode d’emploi?
Spoiler alert : ça ne va pas être facile sans le matériel adapté. En effet, une planète n’émet pas de lumière comme une étoile, elle réfléchit faiblement les rayons de son étoile. Pointer un télescope sur une étoile et s’attendre à voir une planète est quasiment impossible, quelque soit la puissance de l’instrument. Pour observer une exoplanète, il va falloir ruser pour en détecter l’effet sur son étoile hôte.
L’une des méthodes les plus utilisées et qui a permis de découvrir 51 Pegasi b s’appelle la vitesse radiale. Elle consiste à étudier le mouvement de l’étoile, considérant qu’il sera impacté par la présence d’un objet massif dans son voisinage.
Lorsque la planète tourne autour de son étoile, l’étoile se déplace également légèrement – elles se déplacent toutes les deux autour de leur centre de gravité commun. Depuis le point d’observation sur Terre, l’étoile oscille en avant et en arrière dans la ligne de visée.
Pour mesurer ce mouvement d’approche ou de recul, on utilise l’effet Doppler. Ce même effet est responsable de la déformation du son d’une voiture qui se déplace par rapport à l’observateur: à l’approche, le son est plus aigu, il devient plus grave quand elle s’éloigne.
Pour la lumière, le changement de « hauteur du son » – c’est à dire de la longueur de l’onde – se traduit par un changement de couleur : l’étoile paraîtra « plus bleue » quand elle se rapproche et « plus rouge » quand elle s’éloigne: ces phénomènes sont appelés « blueshift » et « redshift ».
Pour mesurer le caractère « plus bleu » ou « plus rouge » de l’étoile, on analyse son spectre, c’est à dire la décomposition de sa lumière selon les différentes couleurs. Autrement dit, on crée un arc-en-ciel à partir de la lumière de l’étoile à l’aide d’un prisme, et on analyse les longueurs d’onde (les « couleurs ») présentes dans la source: c’est ce que l’on appelle un spectrographe.
En prenant une référence précise, il sera possible de voir ce spectre se déplacer au même rythme que l’étoile : on aura alors connaissance du temps que met l’exoplanète à faire le tour de son étoile.
Ces vitesses étant extrêmement faibles, le défi lié à la découverte d’exoplanètes est matériel: il faut concevoir des sepctrographes toujours plus précis pour détecter des variations plus faibles, et donc des planètes plus petites.
La découverte de 1995 a été rendue possible par le spectrographe ELODIE, à l’Observatoire de Haute Provence.
Depuis, des milliers exoplanètes ont été découvertes, d’une diversité fascinante. La recherche d’exoplanètes est un domaine florissant qui permet à la fois d’en apprendre plus sur la formation des systèmes planétaires (et donc l’histoire éventuelle de la notre), et de peut-être un jour répondre à la question qui nous brûle les lèvres : sommes-nous seuls dans l’univers?
Sources
- Cet article a été rédigé à partir du communiqué de presse du Comité Nobel sur le site officiel: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/popular-information/
- Une vidéo de vulgarisation passionnante sur la recherche d’exoplanètes : https://www.youtube.com/watch?v=yVtax4z4BEI&t=997s
