L’exploration spatiale des systèmes solaires et extrasolaires

La ques­tion fon­da­men­tale est de décou­vrir com­ment la vie a pu appa­raître sur la Terre. Des pro­grès con­sid­érables ces dernières années ont per­mis de mieux con­naître les planètes du sys­tème solaire, les comètes et de décou­vrir des mil­liers d’ex­o­planètes. Cela ne donne pas encore la réponse, aus­si les pro­jets de mis­sions futures se multiplient-ils. 

Un nou­veau champ de l’astrophysique et de la plané­tolo­gie s’est ouvert avec la décou­verte en 1995 de la pre­mière exo­planète, 51 Peg b. 

Les astro­physi­ciens étaient alors à la recherche d’exoplanètes de la taille de Jupiter, suff­isam­ment mas­sives pour engen­dr­er un mou­ve­ment de leur étoile autour du cen­tre de masse du système. 

La sur­prise fut totale lorsque fut décou­verte une planète géante à une dis­tance env­i­ron 10 fois plus proche de son étoile que ne l’est Mer­cure du Soleil ! 51 Peg b est donc un « Jupiter chaud » forte­ment irradié par son étoile avec des tem­péra­tures max­i­males avoisi­nant les 2 500 degrés. 

Plus de 4 000 exoplanètes découvertes

Mars est un ter­rain d’exploration priv­ilégié pour l’exobiologie. © Julien

La pop­u­la­tion des 4 000 exo­planètes décou­vertes depuis lors ne cesse de nous sur­pren­dre par leur diversité. 

L’une des ques­tions qui se pose de manière récur­rente est l’habitabilité de ces envi­ron­nements plané­taires, définie par des con­di­tions physiques sta­bles per­me­t­tant la présence d’eau liq­uide, de sources d’énergie et d’éléments chim­iques néces­saires à la vie. 

D’autre part, les biol­o­gistes ont démon­tré l’existence d’extrêmophiles : des formes de vie adap­tées à des con­di­tions inhos­pi­tal­ières pour le vivant. Ce con­texte explique le fort intérêt pour l’exobiologie, la recherche de traces de vie hors de notre planète. 

Des témoins de l’histoire du cosmos

Les mon­des loin­tains exo­plané­taires font écho à des ques­tions fon­da­men­tales qui se posent sur notre sys­tème solaire et aux­quelles les mis­sions d’exploration spa­tiale présentes, passées, futures ten­tent de répon­dre. Les affleure­ments rocheux de Mars, le cli­mat infer­nal de Vénus, la pous­sière organique de Titan, les puis­sants courants des géantes gazeuses nous racon­tent tous la var­iété et l’histoire des planètes de notre sys­tème solaire. 

Ils témoignent égale­ment des dif­férences et simil­i­tudes entre les intérieurs, les sur­faces, les atmo­sphères des corps com­posant le sys­tème solaire, dont notre Terre. 

Des comètes mieux connues

Les comètes sont des objets prim­i­tifs for­més du matéri­au pri­mor­dial du sys­tème solaire dont la sub­li­ma­tion à prox­im­ité du Soleil crée les queues comé­taires qui les caractérisent. 

“Pour la première fois des molécules de carbone d’origine martienne ont été détectées”

La mis­sion Roset­ta de l’Agence spa­tiale européenne (ESA) a suivi la tra­jec­toire de la comète 67P/ Churyu­mov-Gerasi­menko pour étudi­er son activ­ité lors de son pas­sage près du Soleil. 

À bord de la sonde Roset­ta, le robot Phi­lae a été le pre­mier atter­ris­seur comé­taire. Les instru­ments sci­en­tifiques embar­qués ont car­tographié la comète avec une réso­lu­tion de 2 cm, et mesuré ses pro­priétés. Les struc­tures observées en sur­face et en pro­fondeur con­traig­nent la for­ma­tion des planètes et remet­tent en ques­tion cer­tains aspects des mod­èles dynamiques actuels. 

Roset­ta a aus­si démon­tré la présence de molécules rich­es en car­bone, ain­si que la glycine (un acide aminé), dont l’apport par impact sur la Terre prim­i­tive a pu favoris­er l’émergence de la vie. 

Des traces anciennes de vie sur Mars

Plus proche de nous, Mars est un ter­rain d’exploration priv­ilégié pour l’exobiologie. Mars Sci­ence Lab­o­ra­to­ry, égale­ment appelé Curios­i­ty, est un rover de la Nasa (avec une forte con­tri­bu­tion française) qui s’est posé dans le cratère Gale. Là se trou­ve une mon­tagne sédi­men­taire de cinq kilo­mètres d’altitude dont les strates ont gardé les traces du cli­mat passé. 

Curios­i­ty a trou­vé la présence d’argiles for­mées dans des con­di­tions réduc­tri­ces, sous envi­ron­nement aque­ux peu salin, et tous les élé­ments néces­saires à la vie. Pour la pre­mière fois, des molécules de car­bone d’origine mar­ti­enne ont été détec­tées, démon­trant l’habitabilité passée de Mars. 

Lorsque la Terre et Mars se sont for­més, tous deux étaient hab­it­a­bles. L’environnement ter­restre a effacé les traces de cette époque, mais la sur­face de Mars, plus anci­enne, a pu préserv­er des indices d’une pos­si­ble émer­gence de vie. 

Image de la sonde Cassi­ni des anneaux de Sat­urne et du courant atmo­sphérique de forme hexag­o­nale en son pôle nord.

Image de la sonde Juno des régions polaires de Jupiter mon­trant sa tur­bu­lence et ses tour­bil­lons caractéristiques.

Mars Express et Venus Express, deux missions de l’ESA

Mars est égale­ment passé au peigne fin par des mis­sions orbitales, comme la mis­sion Mars Express de l’ESA qui car­ac­térise à la fois la minéralo­gie de sur­face et les cycles du dioxyde de car­bone, de l’eau et des pous­sières dans l’atmosphère de la planète rouge. 

“Des découvertes qui nous permettront de mieux appréhender nos origines”

Mars Express est une mis­sion sin­gulière, née en un temps record et un coût mod­ique des cen­dres de la mis­sion sovié­tique Mars 96. Sur le même mod­èle, l’ESA a égale­ment lancé Venus Express avec un suc­cès sci­en­tifique aus­si reten­tis­sant, com­plété récem­ment par la mis­sion japon­aise Akatsuki. 

L’exploration de nos voisines nous apprend beau­coup sur notre Terre et son cli­mat. Mars ressem­ble à une Terre qui, plus petite et un peu plus éloignée du Soleil, aurait per­du son atmo­sphère. Vénus ressem­ble à une Terre qui, plus proche du Soleil, aurait vu ses océans s’évaporer pour devenir une four­naise soumise à un effet de serre diabolique. 

Comprendre les atmosphères extraterrestres

Tra­ver­sées d’orages gigan­tesques, de vents puis­sants, de tour­bil­lons spec­tac­u­laires, Jupiter et Sat­urne sont des cibles de choix pour explor­er la diver­sité des atmo­sphères extrater­restres, d’autant que, suff­isam­ment mas­sifs pour avoir gardé leur atmo­sphère pri­mor­diale, ils nous ren­seignent sur les orig­ines du sys­tème solaire. 

Autour de ces planètes gravi­tent, de plus, des satel­lites aux pro­priétés fasci­nantes, lab­o­ra­toires des proces­sus ayant façon­né la Terre. La mis­sion Cassi­ni de la Nasa et l’atterrisseur Huy­gens de l’ESA visant Titan ont donc été lancés dans les années 90. Entre 2004 et 2017, Cassi­ni a enchaîné les orbites autour de Sat­urne pour étudi­er ses anneaux, ses tem­pêtes atmo­sphériques, son sur­prenant courant polaire hexag­o­nal, tout en décou­vrant les gey­sers d’Encelade et les saisons tour­men­tées de Titan. 

La mis­sion Nasa Juno est par ailleurs entrée en orbite de Jupiter en 2016, décou­vrant peu à peu, depuis son intérieur, son champ mag­né­tique et ses éton­nants tour­bil­lons polaires. 

Image de la comète 67P/ Churyu­mov-Gerasi­menko par la sonde Roset­ta, com­binée à une image de la sonde et de l’atterrisseur Phi­lae.

Image panoramique prise par le robot Curios­i­ty dans le cratère Gale sur la planète Mars.

Un télescope spatial à la poursuite des exoplanètes

Vénus ressem­ble à une Terre qui, plus proche du Soleil, aurait vu ses océans s’évaporer pour devenir une four­naise soumise à un effet de serre dia­bolique. © Janez Volmajer

Qu’en est-il des mon­des exo­plané­taires ? Kepler est un téle­scope spa­tial de la Nasa obser­vant toutes les étoiles d’un champ fixe du ciel de 115 degrés car­rés, à la recherche d’éclipses péri­odiques de leurs courbes de lumière indi­quant la présence poten­tielle d’une exoplanète. 

La mis­sion Kepler a pu ain­si con­firmer la très grande diver­sité des archi­tec­tures des sys­tèmes exo­plané­taires, en ter­mes de tailles, orbites et nom­bre de planètes par étoile. Notre sys­tème solaire a ain­si per­du son statut de référence biaisant l’imaginaire des astro­physi­ciens pour com­mencer à faire fig­ure aujourd’hui d’exception.

Le nom­bre de sys­tèmes observés à ce jour, com­por­tant une, deux ou trois planètes d’environ la taille de Nep­tune plus proche que Mer­cure de leur étoile, rend le sys­tème solaire sta­tis­tique­ment atyp­ique et pour­rait point­er le rôle déter­mi­nant de la migra­tion de Jupiter sur l’architecture du sys­tème solaire interne. 

Un futur prometteur 

Les pro­jets de mis­sions futures sont nom­breux. Les retours d’échantillons per­me­t­tront de faire des mesures actuelle­ment impos­si­bles par les mis­sions spatiales. 

Hayabusa‑2 (avec un atter­ris­seur européen) et Osiris-Rex col­lecteront des échan­til­lons d’astéroïdes, le rover Nasa Mars 2020 sélec­tion­nera des échan­til­lons mar­tiens pour un retour futur, et la Chine ramèn­era les pre­miers échan­til­lons lunaires depuis quar­ante ans. 

D’autres envi­ron­nements hab­it­a­bles se trou­vent en pro­fondeur des satel­lites glacés Europe et Ence­lade des planètes géantes Jupiter et Sat­urne. Europe sera explorée plus en détail par la Nasa avec Europa Clip­per et par l’ESA avec la mis­sion JUICE d’ici 2030. 

La dynamique d’exploration exo­bi­ologique con­tin­uera donc au cours de la prochaine décen­nie avec des décou­vertes qui nous per­me­t­tront de mieux appréhen­der nos origines. 

Une nouvelle moisson d’exoplanètes

Une nou­velle ère pour la car­ac­téri­sa­tion des exo­planètes s’annonce avec le lance­ment en 2020 du téle­scope spa­tial James Webb Space Tele­scope (JWST) de la Nasa, l’ESA et l’Agence spa­tiale canadienne. 

Grâce à un miroir trois fois plus grand qu’Hubble et des instru­ments cou­vrant toute la gamme spec­trale infrarouge, le JWST va obtenir des spec­tres d’émission et de trans­mis­sion d’exoplanètes d’une qual­ité sans précé­dent pour les Jupiters et Nep­tunes chauds et leur atmo­sphère pri­maire ressem­blant à nos géantes gazeuses, mais aus­si les super-Ter­res (2 à 5 fois plus mas­sives que notre Terre), dotées d’atmosphères sec­ondaires rich­es en eau, dioxyde de car­bone, azote et soufre. 

De telles décou­vertes servi­ront ain­si à remet­tre nos planètes dans un con­texte plus large per­me­t­tant une réflex­ion sur le statut si par­ti­c­uli­er de notre sys­tème solaire. 

L’imageur MIRIM dans la salle blanche du Ser­vice d’As­tro­physique-Lab­o­ra­toire AIM du CEA-Irfu lors des test d’aligne­ments optiques © CEA-SAp
 
 
Le James Webb Space Tele­scope au NASA’s God­dard Space Flight Cen­ter, Green­belt, Mary­land le 28 Octo­bre 2016
© NASA–C. Gunn.

---

Articles similaires :

On ne peut plus vivre sans l’espace Trois années cru­ciales pour l’Europe Un nou­v­el élan pour l’industrie spa­tiale européenne Les 50 ans de Kourou : une aven­ture française et européenne Gér­er et réduire le risque de col­li­sion dans l’espace L’Espace, enjeu de sou­veraineté pour la France et pour l’Europe