Avec pas moins de 8 planètes différentes, le Système Solaire est un très bon laboratoire d'observation pour comprendre les principaux types de planètes et leurs caractéristiques. Mais rien ne nous dit qu'il n'en existe pas davantage, et que l'étude des exoplanètes ne révolutionnera pas nos perspectives sur les paramètres planétaires. Restons à l'écoute des astres, et en attendant attaquons nous à disséquer la nature des planètes connues.
Échelle de taille et de forme des planètes
Cela n'aura échappé à personne que notre planète est ronde, et qu'il en va de même pour tous les autres astres (le Soleil, Mars, la Lune, Saturne, Alpha Centauri, etc). Pourtant la Terre n'est pas réellement une sphère parfaite ! À cause de sa rotation sur elle-même, sa matière a tendance à s'étirer perpendiculairement à l'axe de rotation. Faites l'expérience de tourner sur vous même rapidement, et vous constaterez que vos bras auront la fâcheuse tendance à vouloir partir vers l'extérieur. Il en va donc de même pour la Terre et pour n'importe quel monde (ou étoile) avec une vitesse de rotation suffisamment élevée. Il s'agit en fait du phénomène de la force centrifuge et elle mène à cet aplatissement sur les pôles et à un étirement de la matière à l'équateur. La vitesse de rotation d'un monde est donc un paramètre planétaire significatif, quoiqu'il s'agisse également d'un paramètre ayant une grande importance quand il est pris en compte avec l'orbite.
Chaque monde possède également une masse et une taille qui lui est propre. Ces deux paramètres dépendent de la matière qui le compose (plus ou moins dense) et de la quantité de matière accumulée lors de la formation du monde pendant les premiers moments d'existence de son système solaire. Selon l'hypothèse de la nébuleuse planétaire, tous les astres d'un système solaire se forment pratiquement en même temps à partir d'un immense nuage de particules en rotation. À force de collisions et d'agglutinement de matière, cela va créer des astres de différentes tailles et masses. Des planètes, des lunes, des astéroïdes, etc se forment.
On sait bien que la différence de taille entre une comète et une planète est énorme, mais il existe de nombreuses planètes dont la différence de taille est également énorme ! Rien qu'en comparant Mercure à Jupiter on peut réaliser cela, Jupiter est 29 fois plus grande que Mercure, et 5 778 fois plus massive ! La différence de taille peut être visualisable, mais pas celle de la masse. Imaginez alors qu'il existe des planètes dans la galaxie encore plus grande que Jupiter... Et beaucoup. vraiment beaucoup. Connaitre la distribution et la prépondérance de taille et de masse des exoplanètes est un travail qui doit encore être effectué (puisqu'on connait actuellement moins de 0.0000001% des exoplanètes de la galaxie) et qui nous en apprendra beaucoup sur la nature de la distribution des mondes dans la Voie Lactée (et peut-être plus tard dans l'Univers).
Bien qu'on ait tendance à parler de "force gravitationnelle", la gravité n'est pas à proprement parler une force. La relativité générale d'Einstein nous enseigne que la gravité est en réalité une conséquence de la courbure de l'espace-temps qui est induite par l'existence d'une masse. La façon simple de se représenter cette idée est de tendre une nappe dans l'air, et de placer une boule de pétanque au milieu. La nappe va alors se courber car la boule possède une masse. Et maintenant en plaçant une balle de ping-pong quelque part sur la nappe, la balle va rouler le long de la courbure de la nappe jusqu'à atteindre la boule de pétanque au centre. C'est visuellement exactement la même chose que la courbure de l'espace-temps qui est créé par une planète, et que nous autres êtres terrestres subissons (c'est pour ça qu'en sautant d'un toit on tombe vers le bas).
Maintenant que cela est clair, il faut comprendre que lorsqu'on parle de "courbure de l'espace-temps", on parle de courbure de l'espace... mais aussi du temps. Ainsi une masse suffisante (une très grosse étoile ou planète) va courber l'espace ET le temps dans son voisinage, ce qui mène à des phénomènes tout à fait incroyables et dignes des meilleurs scènes d'Interstellar. Ce phénomène de relativité du temps, qui ne sera pas davantage détaillé ici, peut être estimé à partir de la gravité de surface d'une planète.
La gravité de surface d'un monde ou d'une étoile est très utile pour calculer de nombreux autres informations, comme sa capacité à retenir une atmosphère, et c'est pourquoi c'est un paramètre planétaire qu'il est important de connaitre. Pour information la gravité de surface de la Terre (aussi appelé pesanteur) est de 9.81 m/s², sur Jupiter elle est de 24.8 m/s² et sur le Soleil elle est de 274 m/s².
Visualisation de l'espace-temps autour de la Terre
On a évoqué aux paragraphes précédents l'importance de la taille, masse, et gravité de surface d'une planète pour retenir une atmosphère et accumuler de la matière, et c'est justement ce qui donne lieu à la classification suivante des différents types de mondes existants. Les deux grandes catégories de planètes sont les planètes telluriques et les planètes gazeuses. Les telluriques sont majoritairement composées de matière solide (de roches) tandis que les gazeuses sont majoritairement composées... de gaz (en terme de matière mais pas nécessairement de masse cela dit : elles possèdent un noyau et un manteau liquide et/ou solide, puis sont entourées d'une très épaisse couche de gaz). Les gaz étant moins denses que les solides, les planètes gazeuses pourront moins "comprimer" leur matière lors de leur formation, ce qui mène à ce que les planètes gazeuses soient généralement beaucoup plus grosses que les planètes telluriques. Ces dernières peuvent cependant aussi avoir une atmosphère (Comme la Terre, Vénus, et Mars dans une moindre mesure) mais qui est beaucoup plus fine que celle des planètes gazeuses.
Parmi les planètes telluriques, il est commun de sous-classifier les exoplanètes en fonction de leur taille relative à la Terre. On parle alors par exemple de "Super Terre" pour ces fameuses planètes rocheuses possédant une taille bien plus grande que notre planète. Pour les exoplanètes gazeuses cela suit la même logique, avec par exemple les "mini Neptune" pour les planètes gazeuses de taille inférieur à Neptune mais supérieur à la Terre, puis les "Géantes gazeuses" pour les planètes gazeuses de très grande taille comme Jupiter (ou plus grand encore).
Jusqu'à assez récemment on pensait que les planètes gazeuses ne pouvaient existaient qu'à une grande distance de leur étoile (comme dans notre Système Solaire), mais des observations d'exoplanètes ont montré que ce n'est pas forcément vrai. Certaines planètes gazeuses ont été détecté à une distance plus proche de leur étoile que prévu, ce qui donne lieu à des interrogations sur nos modèles de compréhension des systèmes solaires (l'astronomie a beau être une des plus vieille science, c'est aussi une des plus complexe).
Un paramètre encore peu étudié mais probablement très intéressant est la présence de lune(s) autour des exoplanètes. Dans le cas de la Terre, de nombreuses théories astronomiques suggèrent que la nature et les évolutions de la Terre et de la Lune sont intrinsèquement liées, de sorte que sans la Lune, la Terre ne ressemblerait pas à celle que l'on connait aujourd'hui (sous-entendu : peut-être pas de vie à sa surface).
Et de façon encore plus poussée, il se pourrait que certaines "exolunes" soient encore plus prometteuses que leur exoplanètes, à l'image de la lune Titan autour de Saturne, qui est la seule lune à posséder une atmosphère et tout un système "climatique" comme la Terre. Ce sont des sujets qui ne sont pas encore beaucoup évoqués dans les recherches scientifiques liées aux exoplanètes, mais avec la puissance grandissante des télescope d'observation, ces sujets devraient bientôt commencer à être posés et approfondis.
Exolunes dans un autre système solaire (NASA/JPL-Caltech)
On a évoqué que les planètes sont composées d'une certaine quantité de matière, mais on a pas précisé de quelle matière exactement.
Tout en sachant qu'il existe 118 éléments chimiques dans la nature, on peut imaginer tout un tas de combinaison atomique possible donnant naissance à des molécules auxquels on a encore jamais été confronté empiriquement. Il est probable que de nombreuses exoplanètes soient composées de la même matière que les planètes de notre système solaire, mais rien n'empêche l'existence de mondes composés de matières inconnus.
Toujours est-il, on peut dans la plupart des cas estimer de quoi est fait une planète grâce à la connaissance que l'on a de son étoile. Comme expliqué dans les paramètres stellaires, un système solaire se forme à partir d'un gigantesque nuage de particule, et il est assez probable de penser que les particules soient convenablement réparties dans l'espace, ce qui signifie que peu importe où se forme une planète ou une étoile, chaque astre devrait être composé d'approximativement les mêmes particules initiales (mais pas forcément dans les mêmes proportions). Par conséquent, si l'on parvient à déterminer la composition chimique de l'étoile, alors on peut supposer que les exoplanètes qui tournent autour sont approximativement composées des mêmes éléments.
La structure interne d'une planète est décomposée en plusieurs parties que sont (en partant du centre) le noyau interne (solide), le noyau externe (liquide), le manteau, et la croûte. En raison des éléments présent dans chacune de ces parties, et des forces qui agissent sur eux, plusieurs phénomènes d'ordre géologique ou magnétique peuvent apparaître.
Lorsqu'un noyau externe liquide, composé par exemple de fer (comme c'est le cas pour la Terre), est soumis à de très fortes pressions et donc est chauffé à très haute température, un phénomène de convection apparaît et le métal liquide se déplace dans le noyau ce qui mène à la création de courants électriques qui eux-mêmes produisent alors un champ magnétique, c'est alors que le champ magnétique d'une planète est créé. Le champ magnétique terrestre offre une protection significative contre les vents solaires et les particules novices venant de l'espace, sans lui la vie ne pourrait pas exister à la surface. Sans champ magnétique planétaire, toute atmosphère de planète se ferait graduellement soufflée par les vents solaires. L'existence d'un champ magnétique revêt donc une très grande utilité quand il est question de chercher des planètes habitables.
Pourtant de tels champs ne sont pas observables expérimentalement, mais heureusement comme expliqué précédemment, pour qu'un champ magnétique soit créé, il faut un noyau métallique liquide en convection, ce qui nécessite dans un première temps de savoir que la planète est composé de métaux, et cela est possible grâce à l'analyse de la composition chimique de son étoile, puis il faut s'assurer que son noyau externe soit dans le bon état physique, et cela est également estimable grâce à la taille et masse de la planète.
En effet plus une planète est massive, et plus la pression qui s'exerce dans son centre est intense, ce qui mène à une élévation de la température (car pression et température sont liées), ce qui permet la liquéfaction et la convection de ces liquides. Pour qu'une planète ait une bonne chance de posséder une atmosphère et de potentiellement abriter la vie, il est largement préférable qu'elle possède un champ magnétique, ce qui nécessite donc que cette planète soit grande et que son étoile présente des éléments métalliques dans sa composition.
En continuant à étudier la composition interne des exoplanètes, on souhaite aussi déterminer si oui ou non un monde possède une activité géologique car cela peut procurer beaucoup d'informations sur la dynamique d'un tel monde, et ainsi à l'émergence d'une potentielle vie. Si un monde est suffisamment grand il a de fortes chances pour que son manteau soit composé de magma semi-liquide. Et en fonction de l'équilibre interne des pressions de la planète, il est possible que ce magma remonte à la surface, créant des volcans, bousculant l'état initial de la surface et amenant un peu de fun avec lui. Un fun qui, grâce aux gaz dégagés par les volcans en éruptions, peut conduire à l'accumulation de gaz à la surface de l'exoplanète, créant ainsi progressivement une atmosphère (on me souffle à l'oreille que s’est ce qui c'est passé avec la Terre). La volcanologie exoplanétaire, encore une science quasiment impossible à étudier de nos jours, mais qui ne manquera pas de me faire écrire davantage de paragraphes sur le sujet !
Anatomie de la Terre du noyau jusqu'à l'atmosphère
Comme démontré tout au long de ces lignes, les paramètres planétaires de bases (taille et masse) sont relativement basiques à étudier, mais ce n'est pas forcément le cas pour tout le reste. La technologie grandissante ouvrira progressivement la voie à l'exploration détaillée de ces paramètres, et peut-être un jour entendrons-nous parler de la découverte et l'analyse de la première exolune ! En entendant ce jour excitant, il est toujours possible de déduire une ribambelle de choses sur les exoplanètes et leur caractéristiques (telle que la température de surface) grâce à l'analyse de leurs paramètres orbitaux...