Planètes habitables: le cas Kepler-452 b

Ceci est la traduction d’un article écrit par Andrew LePage, physicien, paru le 24 juillet 2015 sur son blog Drew Ex Machina sur lequel il s’exprime au sujet de ses travaux passés et futurs dans les domaines de la télédétection, de l’astronautique, de l’astronomie et de l’astrobiologie. L’article original se trouve à cette adresse. Nous remercions Andrew pour ce partage.\n\n \n\n

Vue d’artiste de Kepler-452 b. NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle
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Sans aucun doute possible, le télescope spatial Kepler de la NASA est le chasseur de planètes extrasolaires le plus prolifique de l’histoire de l’astronomie. A ce jour il a permis la découverte de 1030 exoplanète et 4696 candidats supplémentaires attendant confirmation.

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Les données de la mission initiale de Kepler continuent à être analysées mais encore plus de données sont rassemblées dans le cadre de la mission étendue K2. Au final jusqu’à 10 000 exoplanètes pourraient être découvertes grâce à cet instrument.

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Alors que l’objectif principal de Kepler et le fil rouge de sa mission sont de découvrir des planètes ressemblant à la Terre et orbitant des étoiles semblables au Soleil, la majorité des planètes potentiellement habitables découvertes grâce à cet instrument, comme la désormais célèbre Kepler-186 f, tournent autour d’étoiles bien moins brillantes, de type K ou M. Ce n’est pas parce que les planètes potentiellement habitables orbitant des étoiles telles que le Soleil sont plus rares mais tout simplement parce que les planètes orbitant des étoiles plus petites, sur des orbites plus étroites, sont plus faciles à détecter avec la méthode des transits, utilisé par Kepler. Trouver une jumelle de la Terre nécessite plus de temps pour l’acquisition et l’analyse des données.

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En jaune les 12 nouvelles découvertes, en bleu les anciennes, les disques pleins sont les planètes confirmées. Kepler 453 b, la plus proche de la Terre en proportions et orbitant une étoile semblable au Soleil, est indiquée par une flèche.
Crédit: NASA Ames/W. Stenzel
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Tout cela est en train de changer. Lors d’une conférence de presse le 23 juillet 2015, une équipe menée par Jon Jenkins (NASA Ames Research Center) a annoncé la découverte d’une nouvelle planète et de 12 nouveaux candidats, avec des rayons inférieur à 2RT orbitant près ou à l’intérieur de la zone habitable de leur étoile.

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La première, appelée Kepler-452 b se révèle être la première exoplanète d’une taille proche de celle de la Terre et orbitant dans la zone habitable d’une étoile ressemblant au Soleil. Alors que la presse annonçait la découverte d’une « Terre 2.0 », je voulais déterminer, indépendamment de tout ce battage médiatique (souvent injustifié), si ce monde a le potentiel d’être habitable d’après le peu de connaissances que nous avons de ses caractéristiques.

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Contexte

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À l’heure où j’écris, je n’ai pas encore mis la main sur une copie de l’article sur Kepler-452 b par Jenkins et son équipe, en attente de publication dans The Astronomical Journal. Néanmoins il y a suffisamment d’informations dans le récent communiqué de presse de la NASA et dans la base de données en ligne de Kepler pour établir les propriétés de la planète et de l’étoile quelle orbite.

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L’étoile Kepler-452 (également connue sous les matricules WISE J194400.89+441639.2 et 2MASS J19440088+4416392) est de type G2, comme le Soleil. On estime qu’elle est distante de 1400 années-lumière, dans la direction de la constellation du Cygne c’est-à-dire dans le champ d’observation de la mission initiale de Kepler. D’après les données accessibles dans la base de données du télescope, Kepler-452 à une température de surface de 5757±85 K, une masse de 1,04±0.05 MS et un rayon de 1.11+0.15-0.09RS. Grâce à cela, j’ai pu calculer que la luminosité de cette étoile est de 1, 21LS.

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Elle est un peu plus lourde et plus brillante que le Soleil. En comparant les propriétés de cette étoile avec les standards du modèle de l’évolution des étoiles nous pouvons déduire un âge de 6 milliards d’années, soit 1/2 milliard d’années plus ancien que le Soleil et son système planétaire.

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La planète Kepler-452 b (autrefois connu sous le matricule KOI-7016.01 avant sa confirmation) orbite autour de son soleil en 384,84 jours. En nous basant sur les propriétés de Kepler 452, nous pouvons estimé le rayon de Kepler-452 b à 1,6 RT et celui de son orbite à 1,05 UA.

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En utilisant les caractéristiques de la planète et de son étoile, j’ai calculé un flux stellaire effectif reçue par la planète de 1,11 fois celui que reçoit la Terre du Soleil, avec une incertitude que j’estime être de l’ordre de 1%. C’est légèrement supérieur à ce que reçoit la Terre mais c’est comparable à ce que notre planète recevra quand elle aura 6 milliards d’années.

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Habitabilité potentielle

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La première étape pour savoir si Kepler-452 b est habitable ou pas, est de vérifier de quel type de planète il s’agit. Est-ce une planète rocheuse comme la Terre? Ou une planète riche en éléments volatiles, une mini-Neptune, avec de faibles perspectives d’être habitable au sens où on l’entend? Alors que l’analyse des données de Kepler nous donne une bonne idée du rayon de la planète, nous ne pouvons pas mesurer précisément la vitesse radiale de l’étoile, de ce fait nous ne pouvons pas mesurer la masse de cet astre. Combinée avec son rayon, cela donnerait aux scientifiques une idée de la densité et donc de la composition de la planète . Heureusement une analyse statistique des découvertes précédentes de Kepler nous permet d’estimer la probabilité que Kepler-452 b soit une planète tellurique.

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Une analyse récente de Leslie Roger de la relation masse/rayon des planètes extrasolaires plus petites que Neptune, suggère fortement que la limite entre les planètes dominées par les roches comme la Terre et les planètes riches en éléments volatiles comme Neptune se trouve vers 1,6RT. Bien que des planètes rocheuses plus large soient envisageables, elles deviennent plus rares à mesure que le rayon augmente. En utilisant un modèle théorique basé sur les travaux récents de Torres et al. j’estime que Kepler 452 b a environ 40% de chances d’être rocheuse avec son rayon de 1,6RT. C’est moins que le « supérieur à 50% » que l’on trouve généralement dans les médias.

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Malheureusement, les chances que Kepler-452 b soit tellurique sont peut-être encore plus basses. Selon les travaux de Dawson et al. les planètes dont la masse excède 2MT ( soit 1.2RT en supposant une composition terrestre) orbitant des étoiles à la métallicité élevée ont plus de chances d’être des mini-Neptune. La raison est que les étoiles les plus riches en métaux procurent plus d’éléments solides aux embryons planétaires leur permettant de grandir rapidement et d’acquérir un peu de gaz directement dans le disque protoplanétaire avant qu’il ne disparaisse. Les étoiles avec une métallicité plus basse tendent à former des embryons planétaires plus lentement, pouvant difficilement atteindre la barre de 2MT nécessaires pour commencer à acquérir les gaz avant qu’il ne disparaisse du disque. 1% ou 2% de la masse totale de la planète sous forme de gaz sont suffisants pour augmenter son rayon et en faire une mini-Neptune. Avec un rapport fer-hydrogène 60% plus élevé que celui du Soleil, la probabilité que Kepler-452 b soit une mini-Neptune augmente.

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Malgré tout cela il est toujours possible que Kepler-452 b soit tellurique. Si c’est le cas, de nombreuses études suggèrent une composition similaire à celle de la Terre. Avec un rayon de 1,6RT et une composition similaire à la Terre, en prenant en compte les effets de la compression gravitationnelle, la masse de Kepler 452 b devrait être de 5MT. Cela donnerait une gravité en surface qui serait d’environ deux fois celle que l’on ressent sur Terre. Alors que cela pourrait être un peu élevé pour les espèces terrestres, rien n’empêche l’existence d’une forme de vie sur cette planète.

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Comparaison à l’échelle des systèmes de Kepler-186, de Kepler-452 et du système solaire interne. Crédit: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt
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Un autre paramètre important pour qualifier une planète d’habitable est la quantité d’énergie lumineuse (flux lumineux noté Seff) reçu par cette dernière. En prenant en compte les derniers modèles d’une zone habitable pessimiste par Kopparapu et al. une planète de 5MT dans la zone habitable de Kepler 452 devrait recevoir un flux stellaire de Seff=1,18 pour la limite interne (correspondant à l’emballement de l’effet de serre), jusqu’à Seff=0,36 (ce qui correspond en effet de serre maximal). Avec un flux reçu de 1,11, l’orbite de Kepler-452 b est juste à l’intérieur de là zone habitable définie pour ce système, même avec les incertitudes associées à ses caractéristiques.

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En prenant en compte que les étoiles de la séquence principale tendent à devenir plus brillante avec l’âge, Kepler-452 b a été encore plus confortablement à l’intérieur de la zone habitable dans le passé. En terme d’orbite et d’énergie reçu, Kepler-452 b devrait avoir un climat plus chaud que celui de la Terre mais devrait néanmoins rester habitable, selon les modèles actuels et en supposant que la planète ne soit pas une mini-Neptune.

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Conclusion

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En se basant sur ce que l’on sait actuellement de Kepler-452 b, il s’agit effectivement d’une planète extrasolaire qui orbite à l’intérieur de la zone habitable d’une étoile comme le Soleil. En prenant en compte l’âge estimé du système, Kepler-452 b aurait orbité encore plus confortablement à l’intérieur de la zone habitable plus tôt dans son histoire. Malheureusement, avec un rayon de 1,6RT, Kepler-452 b a au plus 40% de chances d’être rocheuses (d’après ce qui est observé avec les autres exoplanètes). Il semble plus probable que Kepler-452 b soit une mini-Neptune avec peu de chance d’être habitable dans le sens où on l’entend. Nous devons attendre d’avoir plus de données pour avoir une vision plus définitive de la véritable nature de ce nouvel astre.

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Néanmoins, la nature incertaine de Kepler-452 b laisse encore l’espoir que cette planète soit habitable. Toutefois, si elle se révèle être inhabitable, les études futures de ses propriétés fourniront aux scientifiques des informations essentielles sur les limites d’habitabilité planétaire.

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Certains pourraient être déçus par cette évaluation, mais il convient de rappeler que les scientifiques sont en train d’analyser activement l’ensemble de données reçues du télescope Kepler et complètent les observations. Certains candidats non confirmés seraient des planètes plus petites, comme la Terre, à l’intérieur des zones habitables d’autres étoiles semblables au Soleil. Selon le dernier communiqué de presse de la NASA, une douzaine de nouveaux candidats ont été identifiés, tous orbitant dans une zone habitable et au rayon allant de une à deux fois la taille de la Terre, y compris neuf orbitant autour d’étoiles semblables au Soleil . Plus d’informations sont incluses dans un document distinct qui sera soumis à The Astrophysical Journal.

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Ce n’est donc qu’une question de temps avant la découverte d’une véritable « Terre 2.0 ».

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Lectures complémentaires

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  • “Habitable Planet Reality Check: Kepler 186f”, Drew Ex Machina, April 20, 2014 [Post]
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  • “Habitable Planet Reality Check: Terrestrial Planet Size Limit”, Drew Ex Machina, July 24, 2014 [Post]
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  • “The Composition of Super-Earths”, Drew Ex Machina, January 3, 2015 [Post]
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  • “Habitable Planet Reality Check: 8 New Habitable Zone Planets”, Drew Ex Machina, January 8, 2015 [Post]
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  • “Earth Twins on the Horizon?”, Drew Ex Machina, January 9, 2015 [Post]
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  • “First Look at Kepler’s Complete Primary Mission Data Set”, Drew Ex Machina, January 26, 2015 [Post]
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  • “A Review of the Best Habitable Planet Candidates”, Centauri Dreams, January 30, 2015 [Post]
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Références

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  1. Rebekah I. Dawson, Eugene Chiang, Eve J. Lee, “A Metallicity Recipe for Rocky Planets”, arXiv 1506.06867 (submitted for publication in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), June 23, 2015 [Preprint]
  2. \n

  3. R. K. Kopparapu et al., “Habitable zones around main-sequence stars: new estimates”, The Astrophysical Journal, Vol. 765, No. 2, Article ID. 131, March 10, 2013
  4. \n

  5. Ravi Kumar Kopparapu et al., “Habitable zones around main-sequence stars: dependence on planetary mass”, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 787, No. 2, Article ID. L29, June 1, 2014
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  7. Leslie A. Rogers, “Most 1.6 Earth-Radius Planets are not Rocky”, The Astrophysical Journal, Vol. 801, No. 1, Article id. 41, March 2015 [Preprint]
  8. \n

  9. Guillermo Torres et al., “Validation of Twelve Small Kepler Transiting Planets in the Habitable Zone”, The Astrophysical Journal, Vol. 800, No. 2, Article id. 99, February 2015 [Preprint]
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  11. Confirmed Planet Overview Page: Kepler 452b, NASA Exoplanet Archive [Link]
  12. \n

  13. “NASA’s Kepler Mission Discovers Bigger, Older Cousin to Earth”, NASA Press Release 15-156, July 23, 2015 [Press Release]
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