L’année 1995, comme 1492, est l’aube d’une ère de découvertes. Les nouveaux explorateurs, au lieu d’utiliser des navires de mer pour découvrir des continents, utilisent des télescopes pour découvrir des planètes tournant autour d’étoiles lointaines. Des milliers de ces planètes extrasolaires, terme généralement abrégé en « exoplanètes », ont été découvertes, dont quelques mondes potentiellement semblables à la Terre, ainsi que des objets bizarres qui ne ressemblent à aucune des planètes de notre système solaire.
Deux de ces explorateurs d’exoplanètes, Michel Mayor et Didier Queloz, ont récemment reçu la moitié du prix Nobel de physique pour la découverte qu’ils ont faite en 1995. Mes collègues et moi sommes unis dans notre admiration pour leur travail de pionnier, et dans notre fierté de poursuivre ce qu’ils ont commencé.
Mais il y a quelque chose de particulier dans la citation du prix Nobel. Elle dit : « pour la découverte d’une exoplanète en orbite autour d’une étoile de type solaire ». Ne devrait-on pas dire la première exoplanète ? Après tout, des centaines d’astronomes ont découvert une exoplanète. J’ai aidé à en trouver quelques-unes. Même des lycéens et des astronomes amateurs en ont découvert. Le comité Nobel a-t-il fait une erreur typographique ?
Non, il ne l’a pas fait, et ainsi pend un conte.
De même qu’il est problématique de décider qui a découvert l’Amérique (Christophe Colomb ? John Cabot ? Leif Erikson ? Amerigo Vespucci, dont le nom est celui qui a été retenu ? Ceux qui sont venus à pied de Sibérie il y a des dizaines de milliers d’années ?), il est difficile de dire qui a découvert la première exoplanète. Il y a au moins cinq prétendants crédibles, et il est amusant et fascinant d’examiner les mérites de chaque cas. Alors, faisons comme si nous faisions partie du comité Nobel, chargé de désigner le gagnant.
Pour commencer, cependant, nous devons comprendre l’état d’esprit des astronomes pré-exoplanètes. Ils s’attendaient à ce que tous les systèmes planétaires ressemblent à notre propre système solaire. Pas dans tous les détails, mais au moins dans quelques aspects importants : les orbites des planètes sont presque circulaires et se trouvent dans le même plan, avec les planètes géantes (comme Jupiter) à l’extérieur, et les planètes rocheuses (comme la Terre) beaucoup plus proches de l’étoile.
Au fil des siècles, les astronomes ont développé une théorie de la formation des planètes qui expliquait pourquoi ces schémas devaient être universels, comme des conséquences inévitables des processus physiques qui se produisent dans le tourbillon de matière qui entoure une étoile naissante. Je suis tenté de décrire cette théorie, mais je vous épargnerai les détails, car les premières découvertes d’exoplanètes ont montré que cette théorie est fausse, ou du moins incomplète. Tout ce que vous devez savoir, c’est que cette attente était profondément ancrée.
Vous devez également savoir comment détecter les exoplanètes. La première chose que vous pourriez essayer est de pointer un télescope vers une étoile et de chercher des objets moins lumineux qui tournent autour d’elle. Cela s’avère presque impossible : les planètes sont beaucoup trop faibles. Au lieu de cela, les premières exoplanètes ont été détectées en observant le mouvement de l’étoile.
On apprend aux enfants que les planètes tournent autour du soleil, mais c’est un petit mensonge blanc. En réalité, le soleil et les planètes tournent autour du centre de masse de l’ensemble du système solaire. Si vous construisiez un modèle réduit du système solaire posé sur un disque plat, le centre de masse est l’endroit où vous pourriez faire tenir le disque en équilibre sur le bout de votre doigt. Le soleil est le composant le plus massif du système solaire, il est donc toujours proche du centre de masse, mais il se déplace un peu. Les planètes autour d’une étoile lointaine devraient également faire bouger l’étoile. Et cela donne aux astronomes un moyen de les trouver, en utilisant l’effet Doppler.
Chaque fois qu’un objet en mouvement émet des ondes – comme des ondes sonores ou lumineuses – la longueur entre les ondes est comprimée dans la direction avant, et étirée dans la direction arrière. Pour le son, la longueur d’onde détermine la hauteur, ce qui explique pourquoi la sirène d’une ambulance baisse de ton à mesure qu’elle passe à toute vitesse. Pour la lumière, la longueur d’onde détermine la couleur. Lorsqu’une étoile se rapproche de nous, sa lumière apparaît légèrement plus bleue, et lorsqu’elle s’éloigne, elle devient plus rouge. Nous parlons de changements de quelques parties par million, ou moins, et c’est pourquoi vous avez besoin d’un équipement astronomique spécialisé pour les détecter.
Nous sommes presque prêts à passer en revue les candidats au poste de découvreur de la première exoplanète, mais il y a encore une chose. Nous devrions décider à l’avance ce que nous entendons par découvrir. Cela va s’avérer important.
Une définition du dictionnaire est » obtenir des connaissances pour la première fois. » D’accord, mais qu’est-ce que la connaissance ? Pour cela, nous nous tournons vers un manuel de philosophie, dans le chapitre sur l’épistémologie, où nous apprenons que la connaissance est une croyance vraie justifiée. Notre tâche, alors, est d’identifier la première personne à avoir une croyance vraie justifiée en l’existence d’une exoplanète.
Parce qu’elle doit être vraie, nous n’avons pas besoin de discuter de tous les faux départs et des affirmations fallacieuses qui ont terni la réputation des chasseurs de planètes pendant des décennies. En exigeant qu’elle soit justifiée, nous mettons de côté les heureux devineurs. En 1953, Philip K. Dick a écrit une histoire se déroulant sur une planète autour de l’étoile Proxima Centauri, et en 2017, les astronomes ont détecté une telle planète, mais Philip K. Dick n’a pas découvert la planète.
Notre briefing est maintenant complet, et nous pouvons accueillir les prétendants sur le ring, par ordre chronologique.
En 1979, Gordon Walker et quelques collègues de l’Université de Colombie-Britannique ont commencé à chercher des planètes. Il était l’autorité mondiale prééminente en matière d’observations Doppler précises. Il a conçu son enquête en partant du principe que tous les systèmes planétaires ressemblent au système solaire. Les plus grands signaux – et, étant donné les limites de son équipement, les seuls signaux qu’il avait une chance de détecter – proviendraient de planètes géantes, comme Jupiter, qui met 12 ans à faire le tour du soleil. Ce qui signifie que Walker devait s’engager dans un projet à très long terme.
Il devait également espérer que les planètes semblables à Jupiter soient communes, car il n’a pu surveiller qu’une vingtaine d’étoiles. Pour étendre sa recherche, il aurait besoin de plus de soutien de la part du comité d’allocation du temps du télescope, ce qui n’était pas prévu. Walker a écrit plus tard : « Il est assez difficile aujourd’hui de se rendre compte de l’atmosphère de scepticisme et d’indifférence qui régnait dans les années 1980 à l’égard des propositions de recherche de planètes. Certaines personnes estimaient qu’une telle entreprise n’était même pas une partie légitime de l’astronomie. »
Malgré cet obstacle, en 1988, il avait détecté le signal d’une planète de la masse de Jupiter qui tourne autour d’une étoile nommée Gamma Cephei tous les 2,7 ans. Alors, Walker remporte-t-il le prix ? Avait-il une croyance vraie et justifiée en l’existence de la planète ?
Eh bien, c’était vrai : l’existence de la planète a été définitivement confirmée en 2003. Le problème est de savoir si cette croyance était justifiée en 1988. Le signal de Walker se détachait clairement du bruit, mais il craignait toujours d’être trompé. Le signal Doppler pourrait être causé par autre chose qu’une planète. Peut-être que le modèle de 2,7 ans provenait de la rotation de l’étoile, plutôt que de son mouvement. Le soleil tourne une fois par mois, mais Walker pensait que Gamma Cephei était une étoile géante, qui pouvait tourner beaucoup plus lentement.
Dans un article de 1992, basé sur cette inquiétude, Walker a fait marche arrière en affirmant que le signal de Gamma Cephei représentait une planète. Mais il s’avère que l’étoile avait été mal classée. Ce n’est pas une étoile géante. Walker avait été trompé en pensant qu’il se trompait lui-même. Sa prudence était naturelle, étant donné l’atmosphère de scepticisme confinant à l’hostilité. Peut-être vaut-il mieux dire que Walker a détecté la planète mais ne l’a pas tout à fait découverte.
Ce qui nous amène à notre prochain prétendant, David Latham, du Smithsonian Astrophysical Observatory. En 1989, lui et ses collaborateurs ont signalé un intriguant signal Doppler autour d’une étoile appelée HD 114762. Le signal était clair comme de l’eau de roche. Ses caractéristiques étaient compatibles avec un mouvement orbital, et incompatibles avec une rotation.
Cette découverte semblerait être un coup d’éclat. En effet, HD 114762 figure dans la base de données complète des exoplanètes de la NASA, enregistrée avec 1989 comme année de découverte. C’est six ans avant Mayor et Queloz.
Alors, pourquoi Latham ne serrera-t-il pas la main du roi de Suède ? Parce qu’à l’époque, la réalisation de Latham n’était pas perçue comme une découverte de planète. Il y avait des choses bizarres à propos de la planète putative.
Tout d’abord, l’orbite n’est pas près d’être circulaire. C’est une ellipse avec une dimension deux fois plus longue que l’autre – assez différente des planètes du système solaire. Deuxièmement, la planète est 11 fois plus massive que Jupiter, ce qui semble farfelu. En fait, la planète pourrait être encore plus massive, car la méthode Doppler ne nous indique que la masse minimale possible de la planète. C’est parce que l’étoile se déplace dans les trois dimensions, mais l’effet Doppler ne résulte que de l’une de ces dimensions : le mouvement vers ou à l’écart de l’observateur.
Enfin, l’orbite semblait bien trop petite pour une planète géante. Elle représente moins d’un dixième de la taille de l’orbite de Jupiter. Selon la théorie de la formation des planètes, les planètes géantes ne devraient jamais se former si près de l’étoile. C’est le domaine des petites planètes rocheuses.
Latham pensait que cela pouvait être une planète, mais certains membres de son équipe (et la plupart des autres astronomes) pensaient que c’était tiré par les cheveux. Leur article de 1989 ne mentionne la possibilité d’une planète qu’à titre de spéculation. Plus probablement, ont-ils écrit, il s’agissait d’une naine brune, une sorte d’étoile ratée qui n’a jamais allumé de réactions de fusion nucléaire.
Aujourd’hui, cependant, aucune des « particularités » de HD 114762 n’est considérée comme particulière. Nous savons que quelques pour cent des étoiles semblables au soleil ont une planète géante avec une petite orbite très elliptique. Et certaines d’entre elles ont effectivement des masses aussi élevées que 10 ou même 20 fois celle de Jupiter.
Latham a une bonne prétention d’être le premier à découvrir une exoplanète, mais ce n’est que de notre point de vue rétrospectif. La revendication était vraie, et amplement justifiée par les données. Mais à l’époque, elle n’a pas été crue, en raison du préjugé selon lequel les planètes doivent ressembler et agir comme les planètes du système solaire.
Ce qui s’est passé ensuite a été une surprise étonnante. En 1992, Aleksander Wolszczan et Dale Frail ont annoncé la découverte de deux planètes, comparables en masse à la Terre, en utilisant une variation de la méthode Doppler. Les preuves étaient irréfutables et convaincantes. Ce qui était stupéfiant, c’est que l’étoile n’est pas une étoile ordinaire comme le soleil ; c’est un pulsar.
Les pulsars font partie des choses les plus exotiques de l’univers. Ce sont des restes d’explosions de supernova, qui ont lieu lorsqu’une étoile massive n’a plus de combustible nucléaire et devient instable. Un pulsar concentre la masse du soleil entier dans une boule de seulement 20 kilomètres de diamètre, ce qui le rend si dense qu’un seul faux mouvement suffirait à le faire s’effondrer et à le transformer en trou noir. De plus, il peut tourner sur lui-même des centaines de fois par seconde et cracher des ondes radio, des rayons X et des doses mortelles de radiations.
Comment devons-nous noter ce candidat à la première exoplanète ? L’affirmation était vraie et justifiée. Elle a été crue et est toujours crue par la communauté astronomique. Le seul point d’achoppement était de savoir si les objets orbitant autour du pulsar devaient être qualifiés de planètes.
Jusqu’alors, la définition de travail des astronomes pour une planète était un objet de masse trop faible pour être une étoile ou une naine brune. La découverte des pulsars a forcé une évaluation plus attentive. Peut-être que le mot planète devrait être réservé aux objets orbitant autour d’une étoile normale, et non d’une étoile zombie. (Vous comprenez maintenant pourquoi la citation du Nobel 2019 fait référence à « une exoplanète autour d’une étoile de type solaire »)
Certains astronomes insistaient sur le fait que les planètes devaient se former dans le tourbillon de matière entourant une jeune étoile. Ce n’est pas de là que proviennent les compagnons du pulsar. On peut supposer qu’ils se sont formés après l’explosion de la supernova, car ils n’auraient pas pu survivre au souffle catastrophique de l’énergie. Peut-être qu’une partie de la matière qui a explosé a fini par retomber et s’est mise en orbite autour de l’étoile à neutrons, et que les planètes se sont formées à partir de cette matière. Un problème sérieux avec toute définition basée sur la formation, cependant, est qu’il n’y a pas non plus de théorie universellement acceptée pour la formation des planètes « normales ».
Ce qui a fini par se passer, c’est que les astronomes ont pris l’habitude de désigner les objets de Wolszczan et Frail comme des planètes. Mais les planètes pulsar ont été traitées comme des monstres de foire, et la recherche d’autres d’entre elles s’est avérée stérile et improductive. Seul un autre pulsar est connu pour avoir une planète, et même dans ce cas, les preuves ne sont pas aussi sûres.
Ce qui nous amène à 1995. Michel Mayor et Didier Queloz, deux astronomes de l’Observatoire de Genève en Suisse, avaient amélioré la technique Doppler. Auparavant, Mayor avait aidé Latham à observer son étoile. Puis, lui et son étudiant, Queloz, ont décidé de partir eux-mêmes à la chasse aux planètes. Ils avaient le quasi-monopole d’un télescope en France, ce qui leur a permis de surveiller plus d’étoiles que Walker ou Latham.
L’une de leurs étoiles, une étoile semblable au soleil nommée 51 Pegasi, se déplaçait d’avant en arrière avec une amplitude de 50 mètres par seconde, et une période de seulement 4,2 jours. Ce signal impliquait l’existence d’une planète dont la masse minimale se situait entre celle de Saturne et de Jupiter. C’était une masse qui mettait les astronomes à l’aise. Moins confortable était la distance orbitale : seulement un vingtième de la distance de la Terre au Soleil.
Ceci, insistaient de nombreux théoriciens, n’était pas la place pour une planète géante. Étant si proche de l’étoile, l’objet orbitant autour de 51 Peg est chauffé à des milliers de degrés. Mayor et Queloz avaient découvert ce qui allait être connu comme un « Jupiter chaud », un type de planète présumé impossible dans la théorie dominante de la formation des planètes.
La communauté astronomique était sceptique, non seulement en raison de la contradiction avec leurs attentes, mais aussi compte tenu de l’histoire mouvementée du domaine. Certains craignaient que les décalages Doppler proviennent de pulsations stellaires, plutôt que de mouvements orbitaux ; peut-être que la surface de 51 Peg se bombait, puis retombait avec un rythme régulier.
Au cours des années suivantes, cependant, toutes ces inquiétudes ont été mises de côté. C’était la vraie affaire. La théorie de la formation des planètes devait être mise à jour.
Mayor et Queloz, donc, ont été les premiers à avoir une croyance vraie justifiée dans l’existence d’un objet que tout le monde s’accorde à considérer comme une exoplanète autour d’une étoile semblable au soleil. Tout aussi important, la découverte de 51 Peg a eu le même effet que la première observation d’un continent inexploré et apparemment sans limites. La croissance exponentielle des découvertes de planètes, et du nombre de scientifiques travaillant dans ce domaine, a commencé en 1995. C’est pourquoi le comité Nobel a estimé que Mayor et Queloz méritaient les feux de la rampe scientifique (et un demi-million de dollars).
Mettant mon chapeau de pédant, je noterai toutefois que l’affirmation selon laquelle 51 Peg est une planète n’était pas justifiée à 100 %. Rappelez-vous, la méthode Doppler ne révèle que la masse minimale du corps en orbite – la véritable masse pourrait être plus importante. Beaucoup plus grande, si son orbite se trouve être perpendiculaire à notre ligne de visée. Bien qu’il faille pour cela une coïncidence très improbable, il était envisageable à l’époque que le compagnon de 51 Peg soit en fait une naine brune. En fait, il s’agit d’une planète. La véritable masse a finalement été mesurée avec une technique différente qui repose sur la détection de la lumière propre de la planète, mais pas avant 2015.
La première exoplanète pour laquelle la masse a été mesurée sans ambiguïté est nommée HD 209458b. Dans ce cas, il se trouve que l’orbite de la planète la porte directement devant l’étoile, provoquant une éclipse miniature. C’est ce qui élimine l’incertitude habituelle concernant l’orientation de l’orbite. Les éclipses ont été détectées en 1999 par deux groupes concurrents, l’un dirigé par David Charbonneau et l’autre par Gregory Henry. Mais s’il s’agissait techniquement d’une découverte plus définitive, à ce moment de l’histoire, la communauté astronomique avait cessé de douter des découvertes de 51 Peg et d’autres objets similaires.
Pédanterie mise à part, il convient également de noter que, malgré tous les faux départs, la détection d’exoplanètes était l’une de ces rares et merveilleuses occasions où un projet s’avère plus facile que prévu. Habituellement, la loi de Murphy prévaut : tout est plus difficile et prend plus de temps que prévu. Ce qui a facilité les choses dans ce cas, c’est l’existence de jupiters chauds, un cadeau de la nature auquel personne ne s’attendait. Les jupiters chauds produisent les plus grands signaux Doppler, et ils peuvent être détectés et confirmés avec seulement quelques semaines de données ; pas besoin d’attendre des décennies, comme Walker l’avait pensé.
En fait, il n’est pas tout à fait vrai que personne ne s’attendait aux jupiters chauds. En 1956, Otto Struve a écrit un court article soulignant que la précision des mesures Doppler était devenue suffisamment bonne pour détecter des planètes massives, mais seulement si elles existaient sur des orbites minuscules. Mettant de côté la question de savoir comment une telle planète aurait pu se former, il s’est rendu compte qu’aucune loi de la physique n’interdit l’existence de telles planètes. Son article aurait pu donner naissance à un tout nouveau domaine de l’astronomie, mais en fait, il est resté dans l’ombre. La planète autour de 51 Peg aurait probablement pu être découverte au début des années 1960, ou sûrement par Walker dans les années 1980, s’il avait pu observer davantage d’étoiles.
J’essaie de me souvenir de cette histoire lorsque je souffre d’un pessimisme excessif. Même si un domaine a été terni par des affirmations antérieures qui se sont avérées fausses, même si d’autres personnes talentueuses ont essayé avant, même si les théoriciens vous disent que votre idée est farfelue – il peut toujours y avoir un phénomène vraiment spectaculaire qui attend d’être découvert.