La fréquence des planètes de tailles terrestre autour des étoiles analogues au Soleil

Catégorie: Exobiologie, Exoplanètes

Ceci est la traduction d’un article écrit par Andrew LePage, physicien, paru le 3 novembre 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.

La traduction a été réalisée par Nicolas Zagulajew et corrigée par Elisa Benkhalifa que nous remercions et moi même.

L’objectif premier de la NASA avec la mission Kepler était de détecter des objets de la taille de la Terre sur une orbite semblable à celle de la Terre autour d’étoiles ressemblant à notre Soleil. L’analyse de la masse de données récoltées par le télescope a déjà permis de découvrir des milliers de planètes, dont nombre de planètes potentiellement habitables orbitant des naines rouges. Mais seule l’une d’entre elles se situe sur une orbite semblable à celle de la Terre, autour d’une étoile semblable à notre Soleil et d’une taille proche de celle de la Terre:  Kepler-452 b. Ceci étant, avec un rayon d’environ 1.6 fois celui de la Terre (1.6 RT), il est plus probable qu’il s’agisse d’une mini-neptune riche en éléments volatils qu’une planète rocheuse comme la notre (voir Planètes habitables: le cas de Kepler-452 b)

 

Diagramme montrant les principaux composants du satellite Kepler de la NASA. (NASA/Kepler Mission/Ball Aerospace)

Cela peut paraître décevant, mais on ne doit pas perdre de vue que l’analyse des données Kepler est encore en cours et que nombre de sœurs potentielles de notre Terre sont encore en cours d’analyse. Pendant ce temps, les analyses statistiques des planètes à plus courte période orbitale, plus faciles à observer, ont révélé quelques éléments intéressants qui pourraient nous aider à mieux comprendre les planètes semblables la Terre.

 

Nouveaux travaux

Erik Petigura (University of California – Berkeley) a récemment soumis une thèse sur la prévalence des planètes analogues à la Terre orbitant des étoiles analogues à notre Soleil qui se base sur les données Kepler. Cette thèse se fonde sur ses travaux précédents, en particulier un article de 2013 issu de la collaboration avec Andrew Howard (Université d’Hawaii a Manoa) et le célèbre chasseur de planètes, Geoff Marcy (University de Californie – Berkeley). Dans cet article, Petigura et son équipe ont estimé que 5.7+1.7-2.2% des étoiles analogues du Soleil ont des planètes analogues à la Terre, c’est à dire avec un rayon compris entre 1 et 2 rayons terrestres et une période orbitale comprise entre 200 et 400 jours. Cette définition inclurait non seulement des planètes habitables comme la Terre mais aussi des planètes hostiles comme Vénus ou d’autres planètes de rayon supérieur à 1.5 fois celui de la Terre, qui ont plus de chances d’être des mini-neptunes que des super-terres rocheuses (voir La composition des super-terres).

La thèse de Petigura résume son travail sur les données photométriques de la mission Kepler en utilisant le nouvel algorithme TERRA (Transiting Exoearth Robust Reduction Algorithm), spécialement créé pour détecter les petites planètes. L’algorithme a aussi permis de valider toutes les découvertes et d’estimer l’exhaustivité des résultats. Une analyse statistique de toutes les planètes trouvées orbitant des étoiles de type G et K (ayant des températures de surface comprises entre 4100K et 6100K) est présentée en insistant sur celles dont les périodes orbitales sont comprises entre 5 et 50 jours. Les résultats d’une seconde analyse sur un plus grand nombre d’étoiles analogues au Soleil ont permis d’estimer le nombre de planètes de la taille de la Terre sur des périodes orbitales plus longues, permettant d’extrapoler au nombre de planètes orbitant dans la zone habitable d’étoiles analogues au Soleil.

 

Histogramme montrant la distribution des tailles de planètes des découvertes Kepler pour des périodes orbitales comprises entre 5 et 50 jours. La couleur grise indique des planètes vraiment confirmées, alors que le rouge indique une estimation de planètes manquées par l’analyse. Cliquez sur l’image pour l’agrandir. (Petigura)

Dans le premier lot analysé par Petigura, les planètes détectées orbitent un total de 119 étoiles analogues au Soleil parmi les 12 000 étoiles de type G et K dont les images envoyées par Kepler étaient les moins bruitées. Leurs périodes orbitales étaient comprises entre 5 et 50 jours. Ce groupe de planètes extrasolaires, trouvées pendant les 3 premières années de la mission Kepler ont un rayon compris entre 0.54 et 5.6 RT. En se basant sur les travaux de Petigura, l’analyse des planètes de moins de 1 RT est à moitié terminée. Si l’on exclue les plus petites trouvailles, Petigura a déterminé que 41.7+6.8-5.9% des étoiles analogues au Soleil ont des planètes de rayon supérieur à celui de la Terre et des périodes orbitales comprises entre 5 et 50 jours. Ceci confirme l’hypothèse que notre système solaire est quelque peu inhabituel car il ne comporte pas de planète de période orbitale courte (voir : Notre système solaire est-il banal? )

Le graphique de la loi de puissance, qui régit le rapport entre l’augmentation de la population des planètes et la décroissance de leur rayon, semble montrer que l’augmentation se termine sur un plateau atteint autour de 2.8RT. La population semble alors s’aplatir au moins jusqu’à la taille de 1RT, limite de l’étude. Cette observation confirme ce qui a été trouvé plus tôt, par d’autres, d’après l’analyse des données Kepler. Cette découverte suggère qu’il peut y avoir des planètes radicalement différentes de chaque côté de ce seuil. Pour les planètes situées entre 1 et 1.4RT (ce qui inclurait évidemment des planètes probablement rocheuses comme celles de notre système solaire) avec des périodes comprises entre 5 et 50 jours, la fréquence est de 7.8+1.3-2.1%.

 

Jusqu’à la zone habitable.

Petigura a dû étendre son étude à des étoiles où la probabilité d’observer des transits est plus faible. Il a ainsi pu obtenir un nombre suffisant de planètes extrasolaires à orbites plus éloignées pour son analyse. Dans cette deuxième partie, fondée sur le travail publié plus tôt avec Howard et Marcy, Petigura a à nouveau choisi des étoiles dans les données Kepler, cette fois avec des températures de surface allant de 4100K à 6100K, mais en incluant toutes les cibles dont la magnitude dans la bande de Kepler (Kp) était entre entre 10 et 15. Il a ensuite utilisé TERRA pour analyser les données photométriques de cette série élargie de 42 257 étoiles et chercher des planètes avec des périodes orbitales comprises entre 0.5 à 400 jours. Après un laborieux processus de défrichage des différents types de faux positifs, Petigura a finalement retenu 603 objets intéressants. Plus tard, des observations de 274 d’entre eux depuis le sol ont contribué à réduire les incertitudes sur les caractéristiques des étoiles cibles, ce qui a permis d’améliorer la précision des propriétés planétaires dérivés.

 

Ce graphique montre les planètes trouvées dans l’analyse des données Kepler (indiqués par des points rouges) en fonction de la période orbitale et la taille de la planète. La teinte donne une indication de l’exhaustivité de l’enquête. Cliquer sur l’image pour l’agrandir.

Après avoir pris en compte l’intégralité des résultats de l’enquête, Petigura a de nouveau constaté que la population augmente quand la taille des planètes extrasolaires diminue pour des périodes orbitales entre 5 et 100 jours. Comme seules quatre planètes extrasolaires de rayons inférieurs à 2 RT et de périodes supérieures à 100 jours ont été trouvées, il n’a pas été possible de faire une analyse statistique fiable pour les planètes extrasolaires à périodes orbitales plus longues. Compte tenu des incertitudes des données, il a trouvé que la distribution de taille semble atteindre un plateau à environ 2 RT. Ceci est globalement compatible avec ce qu’il a trouvé dans l’échantillon de qualité supérieure précédent. Petigura a constaté que 26±3% des étoiles semblables au Soleil ont des planètes globalement de la taille de la Terre, de rayons compris entre 1 et 2 RT et de périodes orbitales comprises entre 5 et 100 jours. Environ 12% des étoiles semblables au Soleil ont des planètes de taille comprise entre 1.0 et 1.4 RT (et sont donc plus susceptibles d’être rocheuses) alors que seulement 1.6±0.4% des étoiles analogues au Soleil ont des planètes de taille et de période orbitale semblables à Jupiter.

En regardant la distribution des planètes en fonction du logarithme de leur période orbitale, Petigura a constaté que la population augmente jusqu’à une période orbitale d’environ 25 jours. Le taux d’apparition de la population semble alors rester constant jusqu’à des périodes orbitales d’au moins 100 jours. Ces résultats sont cohérents avec ceux trouvés par d’autres chercheurs sur des échantillons plus petits. Petigura a également analysé ses résultats en fonction du flux stellaire qui variait de 0.5 à 700 fois celui reçu par la Terre. En prenant en compte l’exhaustivité de son étude, Petigura a constaté que 11 ± 4% des étoiles analogues au Soleil ont des planètes d’une taille comprise entre 1 à 2 RT avec des flux stellaires 1 à 4 fois celui reçu par la Terre. Dans notre système solaire, cette gamme de flux stellaires engloberait la Terre et Vénus.

 

Ces histogrammes montrent la distribution des tailles (à gauche) et des périodes orbitales des découvertes de Kepler pour des planètes aux périodes comprises entre 5 et 100 jours. La couleur grise indique les planètes effectivement trouvées alors que le rouge indique le nombre estimé de planètes manquées par l’analyse. Cliquer sur l’image pour l’agrandir. (Petigura)

En raison de la probabilité de plus en plus basse que des planètes extrasolaires à longue période produisent des transits observables, Petigura se devait de faire une certaine (bien que modeste) extrapolation de ses résultats statistiques pour estimer leurs taux d’occurrence. La fiabilité de cette extrapolation est quelque peu améliorée par l’observation de la distribution des tailles des planètes dans la plage de 1 à 2 RT qui apparaît constante à des périodes orbitales de plus de 25 jours et aussi par le taux d’apparition des planètes qui semble être homogène si l’on en croit le journal des périodes orbitales de Kepler. Petigura reproduit ainsi l’estimation de son travail précédent avec Howard et Marcy, à savoir que 5.7+1.7-2.2% des étoiles analogues au Soleil ont des planètes avec un rayon compris entre 1 et 2 RT et avec une période orbitale allant de 200 à 400 jours, ce qu’ils définissaient comme « analogues de la Terre » dans ce précédent travail.

Comme précisé plus tôt, cette définition des « analogues de la Terre » n’est PAS équivalente à celle des planètes potentiellement habitables. Petigura pousse ses extrapolations un peu plus loin pour estimer le nombre de planètes de la taille de la Terre dans les zones habitables des étoiles semblables à notre soleil, ce qui dépasse largement les limites de l’échantillon fourni par la mission Kepler. En supposant que les caractéristiques statistiques de la population des planètes tient sur ces grandes distances, Petigura estime qu’environ 22% des étoiles semblables au Soleil auraient des planètes de la taille de la Terre (comprises entre 1 et 2 RT) dans ce qui serait selon la définition « simple », la zone habitable. Cette définition « simple » inclue toutes les planètes recevant des valeurs flux stellaire comprises entre 0.25 et 4 fois celui reçu par la Terre et englobant largement les définitions les plus optimistes de la zone habitable. Ce résultat implique que la plus proche planète de la taille de la Terre en orbite à l’intérieur de la zone habitable « très optimiste » d’une étoile semblable au Soleil est de moins de 12 années-lumière.

Petigura  a également adapté ses résultats pour estimer le taux d’occurrence de planètes de la taille de la Terre pour d’autres définitions de la zone habitable. La définition pour laquelle j’ai toujours montré ma préférence est une définition parmi les plus conservatrices, à savoir celle donnée par Kopparapu et son équipe et issue des premiers travaux du pionnier James Kasting (Penn State). Elle est basée sur le transfert radiatif atmosphérique détaillé et une modélisation géophysique. En s’appuyant sur cette définition plus conservatrice, la zone habitable d’une étoile semblable au Soleil englobe les valeurs de flux stellaire approximativement dans la gamme de 0.35 à 1.02 fois celle de la Terre. Petigura estime que 8.6% des étoiles semblables au Soleil ont des planètes d’une taille comprise entre 1 et 2 RT qui orbitent à l’intérieur de cette définition de cette zone habitable.

Il faut être prudent sur cette valeur, car elle n’équivaut même PAS au taux d’occurrence de planètes potentiellement habitables autour d’étoiles semblables au Soleil. Une analyse récente des trouvailles de Kepler a permis de caractériser pour la première fois la relation masse-rayon des planètes de rayon entre 1 et 4 RT (soit des tailles comprises entre celle de la Terre et celle de Neptune dans notre système solaire). Les premiers stades de ces analyses suggèrent fortement que les planètes de plus de 1.5 RT sont plus susceptibles d’être des mini-neptunes et ont donc peu de chances d’être habitables. Les petites planètes sont beaucoup plus susceptibles d’être rocheuses comme la Terre. En prenant pour base une distribution de taille constante des planètes comprises entre 1 et 2 RT comme indiquent les recherches de Petigura, j’estime qu’environ 5% des étoiles semblables au Soleil ont des planètes dans l’intervalle de taille de 1.0 à 1.5 RT qui sont les plus susceptibles d’être des planètes rocheuses.

Mais même cela ne représente toujours pas la probabilité qui décrirait TOUTES les planètes potentiellement habitables orbitant autour d’étoiles semblables au Soleil. Les planètes plus petites que la Terre ne sont pas comptabilisées. Petigura les a légitimement exclues de son analyse parce que Kepler est mal adapté pour les détecter. Les planètes avec une masse aussi petite que 0.25 fois celle de la Terre (correspondant à un rayon de 0.63 RT, en supposant une composition semblable à celle de la Terre) ou encore plus faible pourraient être potentiellement habitable. En poussant cette extrapolation dans ce territoire inexploré des planètes plus petites que la Terre, j’estime que peut-être 11% des d’étoiles semblables au Soleil pourraient avoir des planètes potentiellement habitables. Cela représente environ un tiers de la valeur de 29+25-12% trouvé pour des naines rouges par Dressing et Charbonneau. De plus cela reste toujours à peu près cohérent compte tenu des grandes incertitudes impliquées. Mon estimation de 11% de probabilité d’occurrence implique que la plus proche planète semblable à la terre vraiment habitable se situe à une relativement modeste distance de 15 années lumière.

 

Conclusion

Cette analyse des données Kepler par Erik Petigura a fourni des données empiriques qui nous permettent d’évaluer le taux d’occurrence des planètes rocheuses de taille terrestre à l’intérieur des zones habitables des analogues au Soleil – planètes qui pourraient être considérées comme de véritables jumelles de la Terre. En me basant sur des extrapolations des résultats de l’étude de Petigura, j’estime que peut-être 11% des d’étoiles semblables au Soleil pourraient avoir des planètes potentiellement habitables de rayon compris entre 0.63 et 1.5 RT. Bien sûr, que ces mondes soient réellement habitables dans le sens terrestre (des conditions de surface qui permettent de trouver de l’eau à l’état liquide, ce qui est une base pour la possibilité de développement de la vie) dépend d’une multitude d’autres facteurs critiques qui sont actuellement au-delà de nos moyens de mesure ainsi que, éventuellement d’autres considérations que nous avons encore à découvrir.

Vue d’artiste du Transiting Exoplanet Survey Satellite de la NASA (TESS), qui permettra de trouver encore plus de planètes de la taille de la terre, en orbite autour d’étoiles semblables au Soleil. Lancement prévu en 2017. (NASA/GSFC)

Il convient toutefois de rappeler qu’il y a beaucoup d’incertitudes dans ce résultat car il implique diverses hypothèses et extrapolations qui, dans certains cas, dépassent largement ce qui a réellement été détecté dans les résultats de l’étude de Petigura. Cela étant dit, le travail de Petigura doit être considéré comme préliminaire, car il repose sur une analyse de seulement trois années de données de la mission principale de cinq ans de Kepler. Les analyses futures, qui bénéficieront des techniques développées pour TERRA et d’autres algorithmes d’analyse, seront en mesure de traiter beaucoup plus de données et devraient détecter beaucoup plus de planètes de taille terrestre dans la zone habitable et ses alentours. La mission étendue, dite « K2 » de Kepler promet également de fournir beaucoup plus de données à partir d’un plus grand échantillon d’étoiles et des planètes de courte période orbitale. Par la suite, les missions telles que TESS de la NASA (Transiting Exoplanet Survey Satellite) et CHEOPS de l’ESA (CHaracterizing ExOPlanets Satellite), toutes deux devant être lancées en 2017, ne feront qu’ajouter plus de découvertes pour mieux caractériser les planètes extrasolaires.

 

Lectures complémentaires

 

Références

  1. Courtney D. Dressing and David Charbonneau, “The Occurrence of Potentially Habitable Planets Orbiting M Dwarfs Estimated from the Full Kepler Dataset and an Empirical Measurement of the Detection Sensitivity”, The Astrophysical Journal, Vol. 807, No. 1, Article id. 45, July 2015
  2. 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
  3. Erik A. Petigura, Andrew W. Howard and Geoffrey W. Marcy, “Prevalence of Earth-size planets orbiting Sun-like stars”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States, Vol. 110, No. 48, pp. 19273-19278, November 26, 2013
  4. Erik Ardeshir Petigura, “Prevalence of Earth-size Planets Orbiting Sun-like Stars”, arXiv 1510.03902v1 (PhD dissertation), October 13, 2015

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