Les planètes sont des vaisseaux qui parcourent d'énormes distances dans l'espace en seulement quelques jours, propulsées par la gravitation. Étant piégées par l'attraction gravitationnelle de leur étoile, les exoplanètes sont condamnées à suivre une trajectoire de forme elliptique durant des milliards d'années. Cette trajectoire, l'orbite, ses paramètres, ainsi que les phénomènes planétaires qui y sont liés, sont déterminants sur les caractéristiques et l'évolution de chaque monde.
Représentation d'orbites elliptiques dans le Système Solaire
L'orbite décrit donc le mouvement souvent elliptique et parfois circulaire (comme c'est pratiquement le cas pour la Terre) d'un objet spatial autour d'un astre. La période de révolution est le temps que met cet objet à effectuer un tour complet. En pratique (et cela est vérifiable mathématiquement par les lois de Kepler) si une planète tourne rapidement (en quelques jours par exemple) autour de son étoile cela signifie qu'elle s'en trouve très proche. À l'inverse si sa période de révolution est élevée (temps de plusieurs centaines ou milliers de jours) cela révèle que la planète est à une grande distance de son étoile. La distance moyenne à l'étoile et la période de révolution sont donc liées.
Cela est très pratique car je vous souhaite bien du courage pour mesurer la distance entre une étoile et une exoplanète à l'aide d'un télescope. Au mieux vous pourriez utiliser la technique de l'imagerie directe pour voir l'un et l'autre de ces astres, mais si vous ignorez le plan suivant lequel vous les observez, alors bonne chance pour en déduire leur distance ! C'est donc en cela que la période de révolution vous économise une migraine de plusieurs jours. Si vous parvenez à calculer le temps que prend la planète pour compléter une révolution, vous pouvez directement en déduire sa distance à l'étoile. Et bonne nouvelle, trouver la période de révolution est pratiquement l'une des informations que l'on obtient en premier quand on observe un monde lointain. Comment cela se fait-il ? Et bien tout simplement parce que concrètement, quand on "détecte" une exoplanète, c'est parce qu'on a obtenu un signal parmi des données qui nous dit "Là ! c'est une planète !", et ce signal est lui-même périodique !
Dans le cas de la méthode du transit, on obtient un tel signal lorsque la planète passe devant l'étoile (ce qui l'éclipse légèrement), alors il suffit d'attendre que la même planète repasse une deuxième fois devant l'étoile, et *pouf* un deuxième signal. Le temps qui s'est écoulé entre les deux signaux est la période de révolution. Easy.
On peut aussi s'y prendre autrement pour ne pas avoir à attendre un deuxième passage de la planète (ce qui peut prendre des années comme mentionné précédemment) en utilisant les données d'un seul signal, mais cela implique des calculs légèrement plus savants. Toujours est-il que c'est beaucoup plus pratique et fiable que d'essayer d'estimer directement la distance.
Alors oui, c'est cool de connaitre cette fameuse distance, mais on peut s'interroger sur son utilité ou au minimum sur la raison pour laquelle on s'y intéresse. La réponse est : car cela permet de savoir immédiatement si la planète que l'on observe est un monde tapi de sable ardent abritant Luke Skywalker comme Tatooine, ou une planète glaciale sur laquelle des droïdes sondes de l'Empire Galactique mènent une mission de reconnaissance.
Il est en effet tout à fait logique (et physique, si vous n'étiez pas convaincu) que plus on se rapproche d'une source de chaleur, et plus on devient soi-même chaud. Ainsi une planète proche de son soleil connaitra une température de surface élevée, et une planète éloignée aura une température beaucoup plus faible. Dans l'exemple de notre Système Solaire, même un pingouin n'oserait pas s'établir sur Pluton (une planète-naine situé à près de 5 milliards de km du Soleil), tandis que sur Mercure (situé à environ 60 millions de km du Soleil) vous entreriez en auto-combustion instantanément. Au final c'est sur la Terre (149 millions de km) qu'on est le mieux ! Cette distance optimale à laquelle se trouve un monde tempéré dépend fortement de la taille et de la température du Soleil, c'est pourquoi il est primordiale de connaitre les paramètres stellaires du système solaire que l'on étudie.
C'est à partir de ces différentes informations sur l'étoile que l'on est en mesure de déterminer ce que l'on connait sous le nom de "Zone Habitable", une zone torique (forme de donuts) autour de l'étoile dans laquelle la température d'une planète qui s'y trouverait est parfaite pour laisser l'eau exister à l'état liquide, ce qui ouvre donc la voie à l'établissement de la vie et à l'habitabilité du monde en question.
Double coucher de soleils sur Tatooine (Star Wars)
Cela a été évoqué plus haut, mais une orbite n'est pas toujours circulaire, et par conséquent la distance d'une planète à son étoile est rarement (pour ne pas dire jamais) fixe. L'orbite circulaire s'allonge en forme elliptique à cause d'un paramètre orbital que l'on appelle l'excentricité. Il décrit l'étirement de l'orbite et mène à des points remarquables de cette dernière. Puisque la distance varie, il y aura nécessairement une distance minimale et une distance maximale, que l'on nomme respectivement le périgée et l'apogée. Suivant la même logique qu'au paragraphe précédent, on sait que la température au périgée sera plus élevée, et celle à l'apogée plus froide.
On peut donc imaginer qu'il existe des mondes dont la distance moyenne à l'étoile se situe dans la zone habitable, mais que leur périgée et/ou leur apogée se trouvent en dehors. Si de l'eau existe à la surface de ces mondes, alors leurs océans se retrouveraient périodiquement à l'état liquide, puis complétement gelées, puis de nouveau liquide, avant de s'évaporer sous la chaleur cuisante de l'étoile, etc.
Est-ce que des formes de vie parviendraient à s'adapter à une condition astronomique aussi extrême ? L'avenir nous le dira sûrement. Et mentionnons au passage le paramètre d'inclinaison de l'orbite planétaire par rapport au plan écliptique qui complexifie l'étude de l'orbite des exoplanètes.
Un transit de plusieurs mondes
Vous pensiez que le problème de la distance planète-étoile était déjà un lourd fardeau pour l'apparition de la vie ? Attendez de découvrir la période de rotation ! Vous l'avez peut-être déjà remarqué, mais la Terre tourne sur elle-même. Et elle fait un tour complet toutes les 23h et 56 minutes (Oui, un jour ne dure pas 24h on vous a menti).
La plupart du temps le fait qu'une planète tourne sur elle-même n'est pas une mauvaise chose, sauf quand cette planète a la bonne idée de tourner à une vitesse synchronisée avec celle de sa vitesse de révolution ! Un exemple très concret : la Lune. La Lune effectue une révolution autour de la Terre en 27 jours, et elle complète une rotation sur elle-même en... 27 jours. Cette incroyable synchronicité a pour conséquence directe que la Lune montre constamment la même face à la Terre. Si ce n'était pas le cas on verrait la Lune tourner sur elle-même et ça serait quand même carrément cool.
Quoique si elle faisait cela, on aurait peut-être pas eu la motivation nécessaire pour construire des fusées pour satisfaire notre curiosité de savoir ce qu'il y a du côté caché de la Lune. Quoique ce n'est pas la seule raison d'exploration/conquête de la Lune... Bref.
Ce phénomène de "verrouillage" orbitale se produit aussi entre une planète et son étoile, c'est par exemple le cas de Mercure qui montre toujours le même côté au Soleil. Ainsi la moitié de Mercure est une fournaise infernale, et l'autre une zone de froid extrême. Cette situation est donc très problématique physiquement parlant car elle empêche l'établissement d'un équilibre thermique à travers la surface générale de la planète considérée, ce qui autrement serait le cas.
On pourrait se demander ce qu'il adviendrait d'une planète avec une atmosphère si elle montrait toujours le même côté à son étoile. Malheureusement on ne peut -actuellement- pas ralentir la rotation de la Terre ce qui nous enlève l'opportunité d'expérimenter cela nous même. La science devra attendre de découvrir une exoplanète vivant cette aventure, ou alors se contenter de modéliser cette situation. Toujours est-il qu'il semble intuitivement peu probable qu'elle favorise le développement ou le maintien de la vie. La période de rotation est donc un paramètre très important pour connaitre la nature d'une exoplanète.
Au-delà du problème de synchronicité, il y a également le simple fait que la vitesse de rotation peut affecter la forme (l'aplatissement) d'un monde, et aussi plusieurs autres paramètres tel que la capacité de la planète a retenir du gaz et donc à former une atmosphère. Ainsi il faut vérifier si la vitesse de rotation d'un monde n'est pas trop grande (la force centrifuge aura de tristes conséquences) ni trop petite (la répartition énergétique de la radiation venant du soleil se fera trop lentement). C'est donc tout un art d'avoir des paramètres orbitaux parfaits pour avoir un monde idéal... oh au fait il en reste un dernier : la précession.
La toupie d'Inception soumise à la précession
Qu'est-ce que la précession ? Pour faire vite c'est ce qui mène à un changement de l'angle d'inclinaison de rotation d'un astre. La toupie dans Inception a une précession qui fait qu'en plus de tourner sur elle-même, elle "tourne" autour d'un axe invisible. C'est le cas pour la Terre, qui a une période de précession de 26 000 ans, ce qui implique un décalage de la direction où sont vues les étoiles dans le ciel. Et cela tout en sachant que l'angle d'inclinaison de la Terre est à l'origine des saisons...
En bref chaque phénomène influe sur un phénomène qui lui-même influe sur un phénomène, et le tout se répétant suivant des cycles. Pour en revenir aux exoplanètes, il est clair que dans le cadre de l'étude générale d'un autre monde, connaitre ses paramètres d'inclinaison et de précession ne sont pas d'un grand intérêt à première vue. Mais puisque le but ultime de l'étude des exoplanètes est de trouver de la vie ailleurs, alors il est tout à fait pertinent de prendre en compte tout ce qui pourrait influencer le développement de cette dernière.
En l'occurrence ces phénomènes orbitaux influencent principalement la nature des atmosphères des exoplanètes (à commencer par leur existence).
Les paramètres orbitaux jouent donc un rôle tout autant crucial que celui des paramètres stellaires et planétaires, et une fois ceux-ci correctement étudiés, cela ouvre la voie à une exploration de l'atmosphère des exoplanètes, en commençant bien souvent par leur composition !