LA DÉFINITION DU TERME « EXOPLANÈTE »
La nouvelle définition du terme « exoplanète », adoptée en 2018 par l’Union Astronomique Internationale (UAI), présente deux nouveautés comparée à celle adoptée en 2003 : au-delà des objets en orbite autour d’une étoile ou d’un résidu d’étoile, désormais les objets en orbite autour des naines brunes (dont la masse minimale est maintenue à 13 fois la masse de Jupiter) peuvent être considérés comme des exoplanètes, et les exoplanètes doivent être en orbite autour d’un objet au moins 25 fois plus massif. Alain Lecavelier des Étangs de l’Institut d’astrophysique de Paris (IAP), et Jack Lissauer du NASA Ames Research Center, décrivent les fondements et l’historique de cette définition dans un article de la revue New Astronomy Reviews.
Depuis le milieu des années 1990, près de 5000 planètes extrasolaires, ou « exoplanètes », ont été découvertes en orbite autour d’autres étoiles que le Soleil. Les objets découverts sont souvent très différents des planètes du Système solaire, de sorte que la question est posée de savoir dans quelles conditions on peut considérer qu’il s’agit de planètes. Afin de clarifier la situation, en 2003 un groupe de travail avait été constitué au sein de l’Union Astronomique Internationale[1], l’organisation internationale qui a autorité pour la dénomination des corps célestes et la définition des termes astronomiques, et avait proposé une définition du terme « exoplanète » qui précisait qu’une planète devait être en orbite autour d’une étoile ou d’un résidu[2] d’étoile et devait avoir une masse inférieure à 13 fois la masse de Jupiter. En effet, au-delà de cette masse le deutérium peut fusionner dans le cœur de l’objet et l’objet est alors appelé une naine brune[3], dans le cas où il n’y a pas de fusion de l’hydrogène, voire une étoile s’il y a fusion de l’hydrogène, ce qui se produit pour une masse supérieure à environ 80 fois la masse de Jupiter (elle-même environ 1000 mois moins massive que notre étoile le Soleil). Or depuis cette première définition, de nombreuses nouvelles exoplanètes avec des caractéristiques très diverses ont été découvertes.
Au vu de ces observations, la Commission « Exoplanètes et Système solaire » de l’UAI s’est penchée en 2018 sur la classification des objets peuplant les systèmes extrasolaires et sur les conditions qui définissent la catégorie des objets appartenant à la classe des « exoplanètes ». Après un débat et un vote au sein de cette commission regroupant près de 400 chercheuses et chercheurs travaillant sur cette thématique, une définition a été adoptée. Cette définition est présentée dans l’article intitulé « The IAU working definition of an exoplanet », rédigé par Alain Lecavelier des Etangs (IAP) et Jack Lissauer (NASA Ames Research Center), et publié par la revue New Astronomy Reviews.
Avec la nouvelle définition, les deux changements majeurs par rapport à la définition provisoire de 2003 sont l’ajout parmi les exoplanètes des objets en orbite autour des naines brunes, ainsi que l’apparition d’une condition sur le rapport de masse entre l’objet en orbite et l’objet central autour duquel il gravite ; en dessous de ce rapport de masse, qui dépend de la distance à l’objet central, le corps en orbite n’est plus considéré comme une exoplanète. Point fort de cette nouvelle définition, pour être considérée comme une exoplanète, l’objet doit être en orbite autour d’un corps central, ce qui nécessite l’existence d’une configuration hiérarchique entre l’objet central et la planète en orbite. Ainsi, lorsque la masse de l’objet en orbite n’est pas négligeable par rapport à la masse de l’objet central, il ne s’agit plus d’un objet en orbite autour d’un autre, mais d’un couple d’objets en orbites mutuelles autour de leur centre de gravité commun, comme cela est observé pour de nombreux couples d’étoile doubles. Afin que la notion d’orbite existe, il faut par ailleurs une stabilité dans l’environnement de l’objet en orbite. Pour contraindre cette stabilité, le critère retenu est celui du rapport de masse entre la planète et l’objet central qui permet l’existence des points de Lagrange L4 et L5 (voir Annexe 2) et qui correspond à ce que l’exoplanète ait une masse inférieure à 1/25 de la masse de son étoile centrale, ou, en d’autres termes, une exoplanète doit être en orbite autour d’un objet au moins 25 fois plus massif.
Le critère de masse maximale de 13 fois la masse de Jupiter pour une exoplanète, tel qu’adopté dans la définition de 2003 est en outre conservé dans la nouvelle définition. Enfin, la nouvelle définition ajoute les naines brunes parmi les objets centraux autour desquelles les exoplanètes peuvent être en orbite. Ce changement implique que cinq objets connus sont désormais considérés comme des exoplanètes.
En introduisant un rapport de masse définit par la stabilité des orbites, la nouvelle définition du terme « exoplanète » donne une importance accrue à la dynamique, et donc au mouvement. Ceci fait directement écho à la définition historique du terme grec planète « πλανήτησ » (astre errant) donnée pendant l’Antiquité aux objets en mouvement par rapport aux étoiles fixes du ciel. Ce critère dynamique apparaît comme une généralisation du concept de planète issue de la révolution copernicienne décrivant les planètes du Système solaire comme des objets en orbite autour du Soleil.
L’article écrit par Alain Lecavelier des Etangs et Jack Lissauer insiste sur le fait qu’il s’agit d’une définition de travail, dans le sens où les connaissances sur les exoplanètes changent rapidement, et de nouvelles découvertes pourraient avoir pour conséquence de devoir modifier cette définition. En effet, le travail de classification et de définition des termes est un travail qui retranscrit l’état de nos connaissances à un moment donné sur la nature des objets, et les relations qui les lient les uns aux autres. Ainsi, la définition du terme « planète » pour le Système solaire adoptée en 2006 par l’UAI avait exclu Pluton de cette classification parce qu’elle n’est pas assez massive[4]. Aujourd’hui, la nouvelle définition adoptée par l’UAI en 2018 traduit la grande richesse des découvertes d’exoplanètes des dernières décennies et concrétise une nouvelle étape dans la classification des objets constituants les systèmes planétaires.
Notes
[1] L’Union astronomique internationale (UAI) est une organisation non gouvernementale internationale regroupant près de 14 000 astronomes professionnels et professionnelles à travers le monde (90 pays), et promouvant leur coopération. Elle est l’autorité reconnue internationalement pour la dénomination des corps célestes (étoiles, planètes, astéroïdes, etc.) et des structures se trouvant à la surface des corps du Système solaire (cratères, plaines, volcans, etc.).
[2] L’Union astronomique internationale (UAI) est une organisation non gouvernementale internationale regroupant près de 14 000 astronomes professionnels et professionnelles à travers le monde (90 pays), et promouvant leur coopération. Elle est l’autorité reconnue internationalement pour la dénomination des corps célestes (étoiles, planètes, astéroïdes, etc.) et des structures se trouvant à la surface des corps du Système solaire (cratères, plaines, volcans, etc.).
[3] Les naines brunes sont des corps trop peu massifs pour démarrer l’ensemble de la chaine de réaction de fusion thermonucléaires définissant les étoiles, et qui, malgré des périodes de fusion et d’émission de lumière, s’éteignent et se contractent sous l’effet de la gravitation.
[4] L’orbite de Pluton contient également de nombreux astéroïdes constituant la ceinture de Kuiper. Elle n’est donc pas suffisamment massive pour évacuer ces objets de son orbite et être considérée comme une planète, ce qui a conduit à la définir comme une planète naine.
Annexes
Définition adoptée pour le terme « exoplanète »
- Les objets dont la masse est inférieure à la masse limite pour la fusion thermonucléaire du deutérium (actuellement évaluée à 13 fois la masse de Jupiter pour les objets de même composition initiale que le Soleil en éléments plus lourds que l’hélium) et qui sont en orbite autour d’étoiles, de naines brunes ou de résidus d’étoile, dont le rapport de masse avec l’objet central est inférieur au rapport conduisant à l’instabilité des points de Lagrange L4 et L5 (M/Mcentral < 2/(25+√621) ≈ 1/25) sont des « planètes », quel que soit leur mode de formation.
- La masse minimale requise pour qu’un objet extrasolaire soit considéré comme une planète doit être la même que celle utilisée dans notre Système solaire, à savoir une masse suffisante à la fois pour que l’auto-gravité surpasse les forces internes des corps rigides et pour nettoyer le voisinage de l’orbite de l’objet d’autres corps pouvant perturber cette orbite.
Les points de Lagrange L4 et L5
Les points de Lagrange L4 et L5 d’une planète en orbite autour d’un objet central se trouvent sur les sommets des triangles équilatéraux ayant la planète et l’objet central comme autres sommets. Ces points se trouvent donc à 60° en avant et en arrière de la planète sur son orbite (voir la figure ci-dessous).
Aux points de Lagrange L4 et L5, les objets peu massifs peuvent avoir des orbites stables si la planète a une masse inférieure à 1/25 de la masse de l’objet central. Ainsi, on trouve des astéroïdes piégés dans les points de Lagrange L4 et L5 de Jupiter ; ces objets constituent la famille des astéroïdes troyens.
Référence
Article (en anglais) de New Astronomy Reviews : Lecavelier des Etangs, A. & Lissauer, J. J., « The IAU working definition of an exoplanet » (version publique)
Rédaction et contact
- Alain Lecavelier
Institut d’astrophysique de Paris, CNRS, Sorbonne Université
alain.lecavelier_des_etangs [à] iap [point] fr
Mise en page : Jean Mouette
Avril 2022