PlanetS a dopé l’étude des exoplanètes

Durant douze ans, le Pôle de recherche national PlanetS a réussi à fédérer des astronomes autour de la détection et de la compréhension de systèmes planétaires qui ont connu une infinité de destins différents de celui du Système solaire

Après douze ans de fonctionnement, le Pôle de recherche national (PRN) PlanetS, dédié à l’étude des planètes tournant autour d’autres étoiles que le Soleil, a fermé ses portes au printemps. L’Université de Genève et ses partenaires en ressortent confortés dans leur position de leader mondial dans cette discipline, une position acquise dès 1995 avec la découverte de la première planète extrasolaire, ou exoplanète, par Michel Mayor et Didier Queloz, alors professeur et chercheur au Département d’astronomie (Faculté des sciences), récompensée par le Prix Nobel de physique en 2019. Grâce au développement d’instruments de mesure au sol comme dans l’espace toujours plus performants, le nombre de découvertes d’autres mondes a depuis continué à croître tout comme s’est affinée la compréhension théorique de la formation de ces systèmes planétaires qui se révèlent, pour la plupart, très différents du Système solaire. La détection d’une sœur jumelle de la Terre (même taille, même type d’étoile, même distance de l’astre…) n’a cependant pas encore eu lieu à ce jour. Mais cela pourrait arriver dans la prochaine décennie avec la mise en œuvre de télescopes et de satellites encore plus précis. Entretien avec Stéphane Udry, professeur au Département d’astronomie et codirecteur du PRN PlanetS. 

Campus: Le Pôle de recherche national PlanetS s’est officiellement terminé le 31 mai dernier. Quel bilan en tirez-vous?
Stéphane Udry: Au cours des douze ans qu’a duré le programme, le nombre de professeurs actifs dans le domaine de l’astronomie en Suisse a doublé. Dans le domaine des sciences planétaires, grâce à PlanetS, notre communauté a atteint une masse critique et a développé une culture de collaboration beaucoup plus profonde qu’auparavant entre les membres des quatre instituts membres, soit les universités de Genève, de Berne et de Zurich, ainsi que l’École polytechnique fédérale de Zurich. Désormais, quand nous nous lançons dans un nouveau projet scientifique, nous cherchons d’abord à rallier des partenaires en Suisse avant de nous tourner vers l’extérieur. Nous avons aussi considérablement gagné en crédibilité. Notre voix compte davantage auprès des décideurs et des financeurs de la recherche scientifique, tant au niveau national qu’européen. Nous avons d’ailleurs raffermi notre position de référence mondiale, que ce soit en matière de conception d’instruments de mesure, comme les spectrographes à haute résolution et les satellites d’observation tels que Cheops (lire aussi l’article en page 28), de détection et de la caractérisation des exoplanètes ou encore de modélisation de l’évolution des systèmes planétaires. De manière générale, l’attractivité des groupes membres du PRN PlanetS, et en particulier ceux de l’Observatoire de Genève, a décuplé. 

Est-ce que le Prix Nobel de Michel Mayor et Didier Queloz y est pour quelque chose?
Cette distinction majeure a bien sûr contribué à notre rayonnement, surtout auprès du grand public. Pour les professionnels de la branche, ce Prix Nobel est venu confirmer la qualité de notre travail. Et c’est grâce à cette réputation, qui s’est encore accrue depuis, que des groupes étrangers, qui ne sont pas nos partenaires habituels, se tournent désormais spontanément vers nous pour obtenir notre collaboration et profiter de notre expérience. 
Quels autres accomplissements durables pouvez-vous mettre sur le compte de PlanetS?
On peut citer la construction à l’Observatoire de Genève du bâtiment de l’AstroTech et surtout de la salle blanche qu’il abrite, une des plus grandes de Suisse. C’est là qu’a été assemblé le dernier spectrographe en date, Espresso, monté sur le Very Large Telescope (VLT) au Chili et qui est aujourd’hui l’instrument le plus précis au monde pour la mesure des vitesses stellaires radiales. Il a été récemment suivi par le développement du spectrographe, Ristretto, qui doit être, lui aussi, installé sur le VLT en 2030 (lire l’encadré en page 21). Nous planifions également dans la salle blanche d’AstroTech l’intégration de l’un des modules du futur spectrographe Andes qui doit être installé au début de la prochaine décennie sur l’Extremely Large Telescope (ELT) de 40 mètres actuellement en construction au Chili. Par ailleurs, le Pôle a aussi débouché sur la création en 2021 du Centre pour la vie dans l’Univers, au sein duquel des astronomes, des physiciens, des biologistes, des chimistes, des géologues et des climatologues travaillent ensemble (lire également l’article en page 24). Enfin, nous avons réussi à rapprocher les spécialistes des planètes extrasolaires de ceux du Système solaire. Ce dont nous ne sommes pas peu fiers.

N’était-ce pas déjà le cas?
Avant le PRN, ces deux communautés se parlaient curieusement assez peu. Il faut dire que pour le Système solaire, il existe des mesures très précises de toutes les planètes. Grâce aux observations et aux différentes missions spatiales, on connaît la composition isotopique des voisines de la Terre et on possède une idée assez précise de leur atmosphère et de leur structure interne. Sur les exoplanètes, par contre, nous ne disposons que d’un petit signal lumineux de l’étoile qui les héberge et dont les légères variations spectrales ou d’intensité peuvent renseigner sur la présence d’un ou de plusieurs compagnons et donner accès à une mesure de leur masse et de leur rayon. Il faut préciser aussi que le Système solaire n’est qu’un exemple unique parmi la diversité spectaculaire des systèmes extrasolaires détectés à ce jour – on en connaît désormais plus de 4500. Les modèles théoriques sur lesquels planchent les spécialistes du premier ou des seconds ne sont pas les mêmes. Dans le cadre du PRN, nous avons néanmoins financé des projets conjoints afin de faire travailler ces deux communautés ensemble. Et cette stratégie a très bien fonctionné, à l’image d’une étude portant sur la simulation de l’agglomération de poussières, c’est-à-dire la première étape de la formation des planètes, qui a obtenu des résultats probants grâce à l’apport des spécialistes du Système solaire. 

La science des exoplanètes a-t-elle gagné en attractivité auprès des étudiants?
Le PRN a permis de développer un environnement unique pour les jeunes chercheurs qui peuvent trouver en Suisse tous les aspects des sciences planétaires. Nous avons créé en 2019 à l’Université de Genève une maîtrise universitaire en astrophysique avec une emphase spécifique sur l’exoplanétologie, la première de ce type en Suisse. L’Université de Berne, de son côté, est sur le point de lancer sa propre maîtrise universitaire, plus orientée vers l’ingénierie spatiale, qui est son point fort. L’Université de Zurich a fondé l’UZH Space Hub en 2018, dédié à la recherche dans le domaine du spatial et de l’aéronautique, tandis que l’École polytechnique fédérale de Zurich a, de son côté, engagé l’ancien numéro 2 de la NASA, Thomas Zurbuchen, pour diriger ETH Zurich Space, une structure active dans la recherche spatiale et l’observation terrestre. Bref, chaque partenaire du PRN PlanetS a sa propre spécialité et nous échangeons nos professeurs au gré des besoins des différentes formations. Pour les candidats au doctorat, nous avons offert la possibilité d’effectuer des thèses conjointes. Le doctorant peut ainsi partager ses quatre années de thèse entre deux institutions. Une manière de tisser de nouveaux liens qui, on l’espère, perdureront. Un autre aménagement que nous aimerions conserver, et qui permet de faciliter la transition du monde académique à celui du privé, est l’externship. Ce dernier permet aux doctorants de passer trois mois dans une entreprise privée pour travailler sur un projet qui intéresse les deux parties et qui est financé par des fonds externes. Une dizaine ont saisi cette opportunité et 90% d’entre eux ont été engagés par l’entreprise où ils ont réalisé leur stage. 

Avez-vous un exemple?
L’un de mes étudiants, Lokesh Mishra, a travaillé chez IBM à Zurich sur un projet visant à convertir en un format informatique unique tous les documents destinés à entraîner les grands modèles de langages tels que ChatGPT et consorts. Il se trouve que ce format (docling) a même fini par s’imposer comme la norme dans le monde entier. Lokesh Mishra a ensuite été engagé par IBM avant d’être débauché par une start-up active dans l’intelligence artificielle (Mentiora AI) dont il est devenu un des responsables AI (Chief AI Officer). 

Que restera-t-il de PlanetS après sa disparition?
Il était convenu dès le départ que nous devions monter une structure qui survive à la fin du financement par le Fonds national suisse. Ce sera le Swiss Institute for Planetary Sciences (SIPS), une association tenue par les quatre partenaires fondateurs. Il sera dirigé par Ravit Helled, professeure au Département d’astrophysique à l’Université de Zurich, très active dans la modélisation de la structure interne des planètes. L’objectif du SIPS est de permettre aux chercheurs actifs dans les sciences planétaires de continuer à collaborer en partageant infrastructures, données, connaissances et expertise technique tout en formant une force politique reconnue capable d’influer sur la direction de la recherche et de lever des fonds externes. L’Université de Genève et ses trois partenaires fourniront au SIPS des ressources comme du temps de travail de chercheurs et de techniciens, du matériel et des locaux, même si ceux-ci sont dispersés dans le pays. Un budget initial de l’ordre de 120 000 francs par an permettra de maintenir le fonctionnement des plateformes mises sur pied au sein de PlanetS. Ces plateformes sont dédiées au développement technologique et à l’innovation (TIP), à la promotion des carrières académiques (Academic), au soutien de projets d’envergure nationale à l’image de l’exploitation scientifique du satellite suisse Cheops (Flagships) et à la visualisation, l’échange et l’analyse des données sur les exoplanètes (Dace, lire aussi l’article en page 32). Deux autres plateformes sont dédiées à la communication et au support stratégique et scientifique.

Un nouvel engouement émerge pour des missions vers la Lune et Mars. Cette tendance, à laquelle se rallient les grandes agences spatiales, risque-t-elle de détourner des fonds de la recherche astronomique et en particulier des exoplanètes?
Aux États-Unis, peut-être, mais pas vraiment en Europe. De manière générale, le secteur du spatial est considéré comme stratégique et c’est le cas également en Suisse. Les satellites assurent des services de géolocalisation et de télécommunication absolument essentiels au fonctionnement de la société. Il convient donc d’entretenir l’image positive du spatial auprès du grand public. Cela passe certes par l’exploration, d’où l’insistance des autorités fédérales à promouvoir la candidature du Suisse Marco Sieber, sélectionné par l’Agence spatiale européenne (ESA) en novembre 2022 pour faire partie du corps européen des astronautes. Mais cela passe aussi par les résultats scientifiques de l’astronomie, en particulier en exoplanétologie, un domaine porteur et qui est plutôt de notre ressort. Autrement dit, les décisions américaines autour du programme Artemis de la NASA pour accélérer le retour sur la Lune, auquel participent l’Europe et la Suisse, ne mettront pas en péril le financement de nos activités. Ce qui nous préoccupe beaucoup plus, c’est le rapport que le groupe d’experts présidé par Serge Gaillard a soumis au Conseil fédéral en septembre 2024 et qui préconise de couper à hauteur de 10% les financements au niveau de la formation et de la recherche, incluant l’enveloppe du Fonds national suisse de la recherche et les activités spatiales en Suisse. 

En matière de chasse aux exoplanètes, avez-vous mis à profit ces douze ans pour découvrir une autre Terre?
À l’heure actuelle, aucune sœur jumelle de la Terre, c’est-à-dire une exo-Terre tournant autour d’une étoile de type solaire dans ce qu’on appelle la zone habitable (dont la distance de l’astre est telle que l’eau peut se trouver à l’état liquide à la surface de la planète), n’a été découverte. Les instruments actuels ne permettent pas d’en détecter une avec certitude. Cela est dû à la faible masse d’une telle exoplanète par rapport à celle de son étoile mais aussi à la période de révolution, longue d’un an et qui exige une observation continue d’au moins cette durée. Il n’en reste pas moins que les progrès vers cet objectif sont fulgurants. Et la vision qu’ont les scientifiques des exoplanètes a radicalement changé en très peu de temps. 

Comment cela?
Avant que Michel Mayor et Didier Queloz n’annoncent la découverte en 1995 de la première planète extrasolaire (lire aussi l’encadré en page 19), la communauté scientifique était d’avis que les chances qu’il existe une autre planète comme la Terre abritant la vie dans l’Univers étaient infimes. À cette époque dominait le point de vue des biologistes selon lequel la conjonction de toutes les conditions nécessaires pour que cela soit possible était tellement improbable que la Terre pouvait très bien être un cas unique. Aujourd’hui, ce point de vue s’est totalement inversé. Le nombre d’exoplanètes connues atteint les 6000, auxquelles on peut ajouter des milliers de candidates non encore confirmées. Désormais, on pense que presque toutes les étoiles du ciel possèdent un ou plusieurs compagnons. Les étoiles orphelines existent, mais elles représentent plutôt l’exception.

Il doit bien exister parmi elles des planètes de la taille de la Terre…
Les statistiques (alimentées par les spectrographes sur des télescopes terrestres, puis par la spectaculaire moisson récoltée par les satellites Kepler et Tess depuis 2009) révèlent une première surprise: les exoplanètes les plus fréquentes sont celles dont la taille se situe entre la Terre et Neptune (des super-Terre, en quelque sorte, ou des mini-Neptunes, c’est selon) et dont il n’existe aucun représentant dans le Système solaire. La catégorie des planètes telluriques plus petites (comme la Terre, Vénus, Mars ou Mercure) sont à peine moins nombreuses. Par conséquent, des exoplanètes de la taille de la Terre existent en effet à la pelle. On en a d’ailleurs découvert, et certaines dans la zone habitable qui plus est, mais en orbite autour d’étoiles beaucoup plus petites que le Soleil, des naines rouges, dont elles font le tour complet en seulement quelques jours. La détection de Terres autour de naines rouges fait d’ailleurs partie de la spécialité du satellite américain Tess, lancé en 2018 et dont les estimations sur leur rayon sont affinées par le satellite suisse Cheops.

Combien connaît-on d’exoplanètes de la taille de la Terre évoluant dans la zone habitable de leur étoile?
Une cinquantaine de candidates sont connues. On ignore la masse de la grande majorité d’entre elles et elles tournent toutes autour d’étoiles plus petites que le Soleil. Il n’y a que quelques cas prometteurs. Parmi les plus connues et les plus intéressantes se trouve Proxima b, qui tourne en 11,2 jours autour de l’étoile la plus proche de nous, Proxima du Centaure, une naine rouge 8 fois moins massive que le Soleil située à 4,2 années-lumière d’ici. Elle a été découverte en 2016 grâce à des mesures réalisées avec Harps. On ignore si les conditions qui y règnent (dépendantes de l’activité de l’étoile, de la présence d’une atmosphère et d’un champ magnétique, d’un éventuel verrouillage gravitationnel, etc.) sont propices à la vie.

Peut-on déduire des connaissances actuelles la probabilité de trouver une Terre habitable autour d’une étoile analogue au Soleil?
Les estimations de leur taux d’occurrence sont extrêmement incertaines. Dans la littérature spécialisée, ce chiffre varie littéralement entre 0 et 100%. 

Sera-t-il possible d’affiner quelque peu cette fourchette dans un avenir proche ?
La prochaine mission européenne Plato, dans laquelle la Suisse et en particulier le Département d’astronomie jouent un rôle très important, est spécialement conçue pour détecter des planètes de la taille de la Terre autour d’étoiles ayant une température, une gravité et une composition chimique comparables à celles du Soleil. Le lancement du satellite est prévu pour fin mars 2027. Il suivra en continu durant plusieurs années les changements d’éclat d’environ 250 000 étoiles en quête de transit par de petites planètes. Pour confirmer la nature planétaire de ces compagnons et mesurer leur masse, il est d’ores et déjà prévu de consacrer 1000 nuits d’observation depuis le sol avec le spectrographe Harps et autant de nuits avec Espresso. Ce suivi au sol est organisé par le consortium Plato sous la responsabilité du Département d’astronomie. En parallèle, le télescope spatial Gaia de l’Agence spatiale européenne (ESA), qui a réalisé entre 2013 et 2024 un suivi de plus d’un milliard de sources lumineuses visibles dans le ciel, va publier un premier jeu de données astrométriques (mouvement des étoiles sur le ciel (lire également en page 34) couvrant les premiers 5,5 ans de la mission. La combinaison des résultats des deux missions va permettre une caractérisation plus complète de l’architecture des systèmes exoplanétaires avec potentiellement une compréhension plus précise du lien entre la configuration de ces systèmes et l’existence de planètes terrestres dans la zone habitable.