Planètes errantes – Des vagabondes solitaires dans la Voie lactée

Une équipe internationale d'astronomes, parmi lesquels un chercheur de l'UNIGE, a annoncé la découverte d'une nouvelle classe d'exoplanètes : les planètes errantes. Ces objets vagabondent dans la Voie lactée de manière autonome, sans être liés gravitationnellement à aucune étoile. Une telle découverte a été rendue possible grâce à la « pesée » directe d'une planète détectée par un phénomène appelé microlentille gravitationnelle, désignée KMT-2024-BLG-0792/OGLE-2024-BLG-0516. Sa masse est estimée à environ 70 fois celle de la Terre. Deux télescopes terrestres et un satellite spatial, ont été nécessaires pour caractériser cet objet recherché depuis longtemps, dans une étude publiée dans la revue scientifique Science.

Représentation artistique d'une planète errante magnifiant la lumière d'une source lointaine. Crédit : J. Skowron / OGLE

Il y a 30 ans, les premières planètes en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil ont été découvertes, donnant naissance à un nouveau domaine de l'astronomie expérimentale : l'étude des exoplanètes. Au cours des dernières décennies, ce domaine s'est développé à un rythme étonnant, révélant toujours plus de secrets sur les mondes extraterrestres et démontrant que notre système solaire n'est qu'un système planétaire parmi tant d'autres dans l'Univers, et qu'il n'est pas nécessairement unique. Jusqu'à présent, cependant, toutes les exoplanètes connues ont été découvertes dans des systèmes liés gravitationnellement à leur étoile hôte, autour de laquelle elles orbitent. Depuis de nombreuses années, les astronomes ont compris que les planètes ne doivent pas nécessairement exister uniquement dans de tels systèmes liés. À la suite de divers processus, tels que les interactions gravitationnelles avec d'autres planètes lors de la formation des systèmes planétaires ou les passages rapprochés d'étoiles voisines, les planètes peuvent être arrachées de leur système d'origine et éjectées dans l'espace interstellaire. Ces planètes solitaires, appelées planètes errantes ou vagabondes, rôdent alors dans la Voie lactée sans être liées à aucune étoile. Selon des estimations théoriques, leur nombre pourrait être très important, voire dépasser celui des planètes liées à des étoiles.

Une observation difficile

Comment peut-on découvrir et prouver l'existence de telles planètes si elles n'émettent pas de lumière et n'interagissent pas avec une étoile hôte ? La réponse réside dans le microlentillage gravitationnel, une technique qui permet aux astronomes de mesurer la masse d'un objet qui courbe la lumière. En pratique, le microlentillage se produit lorsque la lumière d'une étoile lointaine est courbée et amplifiée par la gravité d'un objet plus proche, appelé lentille. Comme cet effet ne dépend pas de la luminosité de la lentille elle-même, cette méthode permet de détecter des corps sombres et non lumineux, comme une planète qui n'émet elle-même aucune lumière. La durée d'un événement de microlentille dépend généralement de la masse de la lentille. Pour les objets ayant une masse planétaire, ces événements sont courts, ne durant que quelques heures.

Quelques candidats prometteurs pour des planètes errantes ont été identifiés ces dernières années. « Malheureusement, pour déterminer directement la masse d'une planète, les astronomes doivent connaître la distance à l'objet lentille », explique Laurent Eyer, coauteur de l'étude. « À partir d'observations terrestres seules, cela n'est possible que dans des cas exceptionnels et extrêmement rares. » Par conséquent, ces objets sont restés des candidats : en fonction de leur distance inconnue, leur masse pouvait être plus ou moins grande, et il était impossible de confirmer qu'il s'agissait bien d'une planète et non d'un corps plus massif, tel qu'une naine brune.

Des observations simultanées

Une percée a été réalisée grâce aux observations effectuées le 3 mai 2024. À l'aide des télescopes du réseau coréen KMTNet (situés en Australie, en Afrique du Sud et au Chili) et du télescope OGLE de l'observatoire Las Campanas au Chili, les astronomes ont enregistré un événement de microlentille gravitationnelle de courte durée sur une étoile brillante près du centre de la galaxie. Conformément à la convention, l'événement a été nommé KMT-2024-BLG-0792/OGLE-2024-BLG-0516. Peu après la fin de l'événement, il est apparu clairement que la forme des variations de luminosité correspondait aux prévisions pour un microlentillage causé par une planète errante. L'événement a immédiatement rejoint la liste des candidats les plus prometteurs pour ce genre d'objets evanescents.

Les astronomes ont rapidement réalisé que la région du ciel où cet événement de microlentille gravitationnelle s'était produit était observée au même moment par la mission phare de l'Agence spatiale européenne, Gaia, qui, entre 2014 et 2025, a effectué des observations photométriques régulières d'environ deux milliards d'étoiles dans tout le ciel. Gaia n'était pas conçu pour observer des événements de très courte durée, mais heureusement, non seulement le satellite a observé cette région pendant les deux jours qu'a duré l'événement, mais grâce à une configuration orbitale particulièrement favorable, il a recueilli jusqu'à six mesures photométriques en 15 heures, précisément pendant les moments les plus importants, lorsque l'amplification de la lumière causée par l'objet lentille était la plus forte.

Les observations simultanées de l'événement de microlentille gravitationnelle KMT-2024-BLG-0792/OGLE-2024-BLG-0516 depuis la Terre et depuis Gaia, située au point de Lagrange L2 à près de deux millions de kilomètres de la Terre, ont créé une occasion unique de mesurer la distance à la lentille grâce à ce qu'on appelle la parallaxe de microlentille. Le principe est similaire à la triangulation sur Terre ou à la mesure de la distance des corps célestes proches en les observant depuis deux endroits différents. Les données photométriques de Gaia n'ont été transmises à la Terre qu'en juillet 2024, date à laquelle l'équipe du système d'alerte Gaia a annoncé l'événement.

Confirmation de la nature planétaire

Une analyse des données de microlentille collectées depuis le sol par les télescopes KMTNet et OGLE, ainsi que des données spatiales fournies par Gaia, a montré que la forme générale de l'événement, telle qu'observée depuis des observatoires distants d'environ deux millions de kilomètres, était similaire. Cependant, l'événement enregistré par Gaia s'est produit environ deux heures plus tard que celui observé depuis la Terre. Ce décalage temporel a permis de déterminer avec précision la distance de l'objet lentille et les paramètres de l'événement de microlentille, ce qui a permis à son tour de mesurer directement et avec précision sa masse. Le résultat a montré que l'objet a une masse planétaire d'environ 70 masses terrestres, soit légèrement inférieure à la masse de Saturne dans notre propre système solaire. Aucune preuve n'a été trouvée de la présence d'une éventuelle étoile hôte à plus de 20 unités astronomiques (la distance Terre-Soleil) de la planète. « Avec un très haut degré de confiance, l'objet nouvellement découvert peut donc être considéré comme non lié à aucune étoile - c'est la première planète errante que l'on a pu 'peser' précisément ! », se réjouit Laurent Eyer.

La découverte et la mesure précise de la masse d'une planète libre constituent une avancée majeure dans la recherche sur les exoplanètes. Il s'agit de la première détection entièrement documentée d'une toute nouvelle catégorie d'exoplanètes : une vaste population d'objets planétaires jusqu'alors inexplorée, dont l'étude est essentielle pour comprendre pleinement comment les systèmes planétaires se forment et évoluent. Cette découverte donnera sans aucun doute un élan considérable à la poursuite de recherches intensives sur cette classe d'objets, grâce à de nouvelles installations telles que le télescope spatial Roman de la NASA ou le satellite chinois Earth 2.0, qui seront tous deux lancés dans les années à venir.

Lien vers l'article dans Science

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