PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2019

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Des planètes hors du système solaire, une révolution

Les astrophysiciens suisses Michel Mayor et Didier Queloz sont distingués « pour la découverte d’une exoplanète en orbite autour d’une étoile de type solaire », qu’ils avaient annoncée le 6 octobre 1995, à l’occasion d’un congrès scientifique à Florence (Italie). Avec l’un des télescopes de l’Observatoire de Haute-Provence (CNRS), en France, lors d’un programme de recherche de compagnons stellaires, ils avaient alors mis en évidence la présence d’un objet (51 Pegasi b), de masse comparable à celle de la planète Jupiter et parcourant en 4,23 jours (terrestres) son orbite autour de l’étoile 51 Pegasi, distante de 50,5 années-lumière de la Terre et assez semblable au Soleil. Cette observation a été la première réponse apportée à une ancienne et longue quête portant sur l’existence hypothétique de systèmes planétaires autour d’autres étoiles que le Soleil. Toutes les tentatives de mise en évidence de telles exoplanètes avaient jusque-là échoué, et il fallut plus d’une année à l’équipe genevoise pour faire accepter la réalité de sa découverte. En effet, il était surprenant d’observer une exoplanète massive aussi proche de son étoile, et de comprendre le processus de formation et d’évolution qui avait pu la placer sur une telle orbite. L’existence de tels « Jupiter chauds » se révélera ultérieurement assez fréquente. Elle n’était que la première surprise qu’allaient provoquer ces nouveaux mondes.

Didier Queloz et Michel Mayor

Photographie : Didier Queloz et Michel Mayor

Astrophysiciens suisses, Michel Mayor (à droite) et Didier Queloz (à gauche) sont spécialisés dans la recherche d'exoplanètes. En 1995, ils découvrent la première d'entre elles, 51 Pegasi b, et ouvrent une nouvelle ère de l'astrophysique. Grâce à cette mise au jour, ils reçoivent en... 

Crédits : Laurent Gillieron/ Keystone/ EPA-EFE

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Cette découverte majeure a ouvert en astrophysique un nouveau champ d’exploration qui se révèle d’une extrême fécondité. Depuis, au sein de notre Galaxie, des milliers de systèmes comprenant une ou plusieurs exoplanètes en orbite autour d’une étoile ont été découverts. L’analyse statistique de ces résultats montre que dans notre Galaxie, donc vraisemblablement dans un très grand nombre d’autres, la majorité des systèmes d’étoiles possède des planètes qui gravitent autour de celles-ci. Parfois appelées « planètes extrasolaires », ces exoplanètes sont d’une extrême diversité quant à leur dimension, leur densité et composition, leur orbite et leur histoire, pour autant que ces différentes caractéristiques puissent déjà être déterminées par les outils d’observation et comprises par les modèles décrivant ces objets. Un immense champ de recherche s’est donc ouvert, offrant en particulier à la question de l’existence de la vie dans l’Univers (exobiologie), hors la Terre, de nouvelles voies d’exploration.

Michel Mayor, né le 12 janvier 1942 à Lausanne, a fait toute sa carrière de professeur à l’Observatoire astronomique de l’université de Genève, qu’il a dirigé de 1998 à 2004. Il est depuis 2002 membre associé étranger de l’Académie des sciences de France. Didier Queloz, né le 23 février 1966, préparait à l’époque de la découverte une thèse de doctorat sous la direction de Michel Mayor, avec lequel il collaborait étroitement. Il est professeur à la fois à l’université de Genève et à celle de Cambridge.

Intéressé, dès les années 1980, avec le Suisse Antoine Duquennoy, par l’analyse des mouvements stellaires, en particulier dans les systèmes multiples (composés d’un petit nombre d'étoiles orbitant les unes autour des autres), Michel Mayor et ses collaborateurs, rejoints par Didier Queloz, ont développé dans ce but des spectrographes, instruments capables de mesurer, grâce à l’effet Doppler-Fizeau et avec une exceptionnelle précision atteignant le mètre par seconde (m/s), la vitesse radiale relative d’une étoile, c’est-à-dire sa vitesse d’approche ou d’éloignement relativement à un observateur terrestre. Une telle précision, véritable défi instrumental et observationnel, permet de détecter l’effet gravitationnel, sur le mouvement de l’étoile, de l’éventuelle présence d’une ou plusieurs planètes et d’en déterminer une limite inférieure de masse. Il s’agit donc d’une détection fiable, mais indirecte, de la présence d’une exoplanète autour d’une étoile. La première image directe d’une exoplanète n’a été obtenue qu’en 2003 par la Française Anne-Marie Lagrange.

Ce type de spectrographe, dont les principes furent élaborés, lors d’une collaboration entre les Observatoires de Marseille et de Genève, par l’opticien marseillais André Baranne, a été installé en 1993 sur le télescope de 1,93 mètre d’ouverture (diamètre du miroir principal) de l’Observatoire de Haute-Provence (instrument Elodie) puis, en 1998, au foyer du télescope suisse de 1,2 mètre de diamètre, sur le site de l’Observatoire européen austral (ESO) situé à La Silla, au Chili (instrument Coralie). Des instruments encore plus précis sont venus les remplacer, tels que Harps (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) en 2003 à La Silla, puis Espresso (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations), installé en 2017 sur le Very Large Telescope européen (Cerro Paranal, Chili) et recueillant simultanément la lumière des quatre télescopes de 8,2 mètres. Espresso atteint une précision meilleure que 10 cm/s sur les vitesses radiales. Il peut ainsi détecter, autour d’une étoile, des planètes rocheuses de masse comparable à celle de la Terre. Avec ces instruments, Michel Mayor, Didier Queloz et leurs collaborateurs ont déjà découvert plus d’une centaine d’exoplanètes, sur les quelque 4 100 déjà confirmées (en octobre 2019) par diverses méthodes.

Au côté de la leur, qui fut pionnière, la méthode des transits détecte le passage de la planète devant son étoile, ce qui modifie son éclat pour l’observateur terrestre. En 2000, la méthode des vitesses radiales identifie l’étoile HD209458 (ou V376 Pegasi) comme hébergeant une planète massive. Michel Mayor en propose l’observation lors d’un éventuel passage devant son étoile (transit). Ce premier transit est alors observé depuis le sol terrestre par David Charbonneau et son équipe, avec une chambre photographique Schmidt de 10 centimètres. Depuis sa mise en œuvre sur des télescopes placés dans l’espace – mission Corot, pour « Convection, rotation et transits planétaires », conduite par le Centre national d’études spatiales (France) ; missions Kepler puis TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) par la NASA –, la méthode des transits se révèle extraordinairement fructueuse. Elle permet ainsi de découvrir des milliers d’exoplanètes, d’une étonnante diversité, dont la méthode des vitesses radiales confirme l’existence et précise les propriétés.

Sous l’impulsion des deux lauréats et grâce à leur implication personnelle, l’Observatoire de Genève est devenu un haut lieu de la recherche mondiale sur les exopl [...]

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Didier Queloz et Michel Mayor

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Écrit par :

  • : professeur émérite de l'université Paris-VII-Denis-Diderot, membre de l'Académie des sciences
  • : chargé de recherche au CNRS, Institut d'astrophysique de Paris

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Pierre LÉNA, Alain RIAZUELO, « PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2019 », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 02 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/prix-nobel-de-physique-2019/