Il nous faudrait 70.000 ans à la vitesse de la sonde Voyager pour atteindre l’étoile la plus proche après le Soleil. Cependant, une nouvelle technologie pourrait ramener la durée de ce voyage à seulement 20 ans.
Pourquoi Proxima du Centaure ?
L’objet primaire du système est l’étoile centrale, nommée Proxima Centauri (latin pour « [l’étoile] du Centaure la plus proche »), en français Proxima du Centaure, ou encore simplement Proxima, car il s’agit de l’étoile la plus proche de la Terre après le Soleil.
Portrait de notre plus proche voisine
EXOPLANÈTE. Située à « seulement » 4,2 années-lumière de notre monde, dans la constellation du Centaure, l’étoile Proxima du Centaure autour de laquelle orbite la fascinante exoplanète Proxima b, (qui pourrait ressembler à la Terre) est huit fois plus petite que le Soleil et presque 650 fois moins lumineuse. Son observation est techniquement assez compliquée car Proxima du Centaure a d’encombrantes voisines.
En effet, cette étoile est la plus petite d’un système triple appelé Alpha Centauri. Ce système est composé de deux étoiles très similaires au Soleil en orbite l’une autour de l’autre, Alpha Centauri A et B, et d’une étoile naine, plus proche de nous : la fameuse Proxima du Centaure. Ces naines rouges sont les étoiles les plus répandues dans notre galaxie. Elles représentent plus de 70% du contingent d’étoiles qui composent la voie lactée.
Ces petites étoiles sont des cibles intéressantes en matière de recherche de la vie extraterrestre. Dans une étude publiée en 2013, qui se basait sur un catalogue d’exoplanètes découvertes par le télescope américain Kepler, des astronomes estimaient que « si nous observions les 10 étoiles les plus petites et les plus proches du Soleil nous trouverions environ quatre planètes potentiellement habitables ». Cette zone « potentiellement habitable », autour d’une étoile, correspond à la fourchette de distance à laquelle la planète reçoit juste ce qu’il faut d’énergie pour que l’eau, s’il y en a à sa surface, puisse demeurer à l’état liquide. Une condition indispensable (mais pas suffisante) pour que la vie, telle que nous la connaissons sur Terre, puisse émerger. Il est toutefois, à ce stade, encore bien trop tôt pour savoir si Proxima b est oui ou non une bonne candidate pour accueillir la vie. Manquent encore des informations cruciales telles que, notamment, la présence d’une atmosphère ou non.
Les naines rouges, bien plus petites que le soleil, rayonnent beaucoup moins d’énergie. De ce fait, pour ce trouver dans la zone « potentiellement habitable » autour d’une étoile telle que Proxima du Centaure, une planète doit orbiter tout près d’elle. C’est le cas de l’exoplanète Proxima b qui orbite si près de cette étoile qu’elle en fait le tour en un temps record : 11,2 jours (contre un tout petit peu plus de 365 sur Terre). De ce fait, si vous vous trouviez à sa surface, le « soleil » local (l’étoile Proxima du Centaure) vous apparaîtrait comme gigantesque.
Cette comparaison de la taille angulaire montre comment Proxima apparaitrait vue depuis Proxima b, comparée à comment nous voyons le Soleil depuis la Terre dans notre ciel. Proxima est beaucoup plus petite que le Soleil, mais Proxima b se trouve bien plus proche de son étoile. Une illusion d’optique due à la distance puisqu’en réalité, Proxima du Centaure est, nous l’avons dit, plus de 8 fois moins massive que le Soleil. En réalité, Proxima est à peine plus grande que la planète Jupiter, la plus grosse planète de notre système solaire.
Cent ans après sa découverte
L’étoile Proxima du Centaure ne vit pas en solitaire. Cent ans après sa découverte, notre équipe vient de montrer que cette naine rouge est en réalité liée par la gravitation au couple d’étoiles Alpha du Centaure, autour duquel elle orbite en 550 000 ans.
Johannesbourg, Afrique du Sud, octobre 1915. En comparant deux plaques photographiques prises à cinq ans d’intervalle d’une région voisine d’Alpha du Centaure – ou Alpha Centauri -, qui détient alors le statut d’étoile la plus proche du Soleil, l’astronome écossais Robert Innes découvre une autre étoile, à la luminosité très faible, qui semble se déplacer dans la même direction. Des observations supplémentaires permettent de mesurer la distance de cette nouvelle venue, qui apparaît légèrement plus proche qu’Alpha Centauri. L’astre, baptisé Proxima du Centaure – ou Proxima Centauri – par Robert Innes lui-même, détrône alors sa voisine au titre d’étoile la plus proche du Système solaire.
Mais, au-delà du record, les astronomes soupçonnent très vite qu’Alpha Centauri, composée en fait de deux étoiles très proches l’une de l’autre (A et B) et similaires au Soleil, et Proxima Centauri, une naine rouge beaucoup plus petite que notre étoile, sont en réalité liées par la gravitation et constituent un système stellaire triple. C’est en effet la meilleure façon d’expliquer pourquoi ces trois étoiles de la constellation du Centaure, situées à respectivement 4,37 et 4,24 années-lumière – un peu plus de 40 000 milliards de kilomètres -de la Terre ont le même mouvement apparent sur la sphère céleste et se trouvent toutes dans un petit volume d’espace.
Cela ne constitue pas pour autant une preuve. Plusieurs tentatives ont eu lieu depuis pour démontrer ce lien avec certitude, mais jusqu’ici sans succès. Pour la première fois, grâce à des observations menées à l’observatoire européen de La Silla, au Chili, nous avons prouvé que les trois astres forment bien un système unique, au sein duquel l’étoile Proxima orbite autour du couple Alpha Centauri.
Pour arriver à cette conclusion, la clé a été de mesurer avec une grande précision la vitesse relative de Proxima par rapport à Alpha Centauri. Si cette vitesse est trop élevée, cela signifie que Proxima s’échappe de l’attraction gravitationnelle d’Alpha Centauri A et B. Si elle est suffisamment faible, c’est qu’elle est en orbite autour de ces deux étoiles. La vitesse limite entre ces deux scénarios est appelée vitesse de libération. Elle est d’autant plus faible que la distance à l’objet qui exerce l’attraction gravitationnelle est grande. Sur Terre par exemple, la vitesse de libération d’un objet situé à sa surface est d’environ 40 000 km/h – la vitesse que l’on doit conférer aux sondes spatiales que l’on veut par exemple envoyer explorer le Système solaire.
Spectrographes ultraprécis
Dans le cas d’Alpha Centauri et de Proxima, il faut connaître à la fois leurs masses et la distance qui les sépare pour calculer la vitesse de libération. Les positions des trois étoiles dans le ciel ont été mesurées avec une grande précision par le satellite européen Hipparcos il y a plus de vingt ans. Quant à leurs distances au Système solaire, elles sont connues avec une précision relative meilleure que 0,1 %. On peut ainsi en déduire que la distance actuelle entre Alpha Centauri et Proxima est de 13 000 unités astronomiques (une unité astronomique est la distance moyenne entre la Terre et le Soleil), soit 2 000 milliards de kilomètres.
Les masses du triplet d’étoiles sont elles aussi bien connues, au même titre que leurs autres propriétés physiques. Jumelles du Soleil, Alpha Centauri A et B sont aussi massives que lui, à 10 % près. Proxima, elle, de nature très différente, « pèse » huit fois moins que notre étoile, pour un diamètre six fois inférieur et une luminosité de seulement deux millièmes de celle du Soleil. Avec ces valeurs, on calcule la vitesse de libération de Proxima – à sa position actuelle -, relativement à Alpha Centauri : elle est de 545 m/s (à plus ou moins 11 m/s), soit environ 2 000 km/h.
Reste maintenant à mesurer la vitesse de Proxima par rapport au couple d’étoiles, et cela avec une précision meilleure que quelques dizaines de mètres par seconde. Le niveau de précision doit en effet être équivalent à une petite fraction seulement de la vitesse de libération de Proxima, sans quoi il serait impossible de savoir si la vitesse de l’étoile est inférieure ou supérieure à celle-ci. Pour déterminer la vitesse de notre plus proche voisine, il faut additionner l’ensemble de ses déplacements apparents dans chacune des trois directions de l’espace : dans le plan du ciel (deux directions) et selon la ligne de visée (la direction Terre-Proxima). Sa vitesse dans le plan du ciel est connue avec précision grâce à des observations astrométriques qui, depuis des décennies, mesurent le changement de position de l’astre.
En revanche, sa vitesse selon la ligne de visée – la vitesse radiale -, c’est-à-dire la vitesse avec laquelle elle se rapproche ou s’éloigne de la Terre, n’avait jusqu’ici pas pu être évaluée avec une précision suffisante. Il faut dire que cette mesure, réalisée par spectrographie, est plus délicate à effectuer. Il s’agit d’analyser, dans la lumière émise par l’étoile, certaines raies spectrales bien spécifiques. Par effet Doppler (*), la longueur d’onde de ces raies – autrement dit, leur couleur – a été décalée vers le bleu si l’étoile se rapproche de nous ou vers le rouge si l’astre s’éloigne. En mesurant précisément la longueur d’onde apparente d’une raie, on peut, connaissant sa valeur intrinsèque grâce à des expériences en laboratoire, déterminer son décalage dû à l’effet Doppler et, de là, mesurer la vitesse radiale de l’objet.
Jusqu’à présent, les spectrographes n’avaient pas atteint le niveau de précision nécessaire pour mesurer la vitesse radiale de Proxima. Mais les choses ont changé avec l’arrivée récente de nouveaux instruments ultraprécis et extrêmement stables, utilisés pour la recherche d’exoplanètes – toujours par effet Doppler. Pour ces travaux, nous avons ainsi utilisé le spectrographe franco-suisse Harps, installé sur le télescope européen de 3,6 mètres de diamètre de La Silla. Celui-ci est à l’origine de la découverte de nombreuses exoplanètes, dont la planète Proxima b. D’environ 1,3 fois la masse de la Terre, elle a été détectée en 2016, justement autour de Proxima. Mieux encore : il n’a même pas été nécessaire de procéder à une observation supplémentaire sur le télescope, car nous avons analysé des données déjà collectées au cours des dernières années pour la recherche de planètes autour de cette étoile.
Mais mesurer la vitesse de Proxima comporte une difficulté de plus par rapport à la détection des exoplanètes. Au cours de leur mouvement orbital, ces dernières provoquent un très léger déplacement de leur étoile ; c’est cette petite variation qui trahit la présence d’une ou de plusieurs planètes. La mesure repose sur la comparaison des spectres lumineux successifs de l’étoile avec un spectre moyen pris comme référence. En utilisant plusieurs milliers de raies, le décalage relatif d’un spectre par rapport à celui de référence est mesuré avec une très bonne précision. Pour la découverte de Proxima b, on a ainsi détecté une variation de vitesse de son étoile de 1,4 m/s, avec une précision de 20 cm/s.
Raies en émission
Dans notre cas cependant, il ne s’agissait pas de mesurer la variation de vitesse de Proxima, mais sa vitesse elle-même. Dans ces conditions, impossible d’analyser les mêmes raies que celles utilisées d’ordinaire pour les exoplanètes. Pourquoi ? Parce que, dans le spectre d’une étoile froide comme Proxima, ces raies dites en absorption, créées par l’absorption de la lumière de l’étoile par différentes molécules présentes dans sa basse atmosphère, sont extrêmement nombreuses. Résultat : elles se superposent les unes aux autres, ce qui rend leur analyse individuelle impossible. Qui plus est, en raison de la complexité des molécules en jeu, la longueur d’onde intrinsèque de ces raies – avant leur décalage Doppler – n’est pas mesurée en laboratoire avec une précision suffisante. Nous avons donc eu recours à un autre type de raies spectrales, jamais encore utilisées pour ce genre d’étude, mais déjà présentes dans les données collectées par Harps : des raies dites en émission, car produites directement par le gaz présent dans la haute atmosphère de l’étoile, sa chromosphère. Quatre raies en particulier, dues à la présence de calcium et de sodium, ont retenu notre attention. Proxima étant une étoile active avec une chromosphère très chaude, ces raies intenses sont facilement identifiables dans son spectre. Et, contrairement aux raies en absorption, leurs longueurs d’onde sont mesurées avec une grande précision en laboratoire (ce sont des raies d’éléments simples, que l’on identifie facilement dans les spectres).
En analysant 260 spectres contenant ces raies, recueillis par Harps entre 2004 et 2016, nous avons déterminé la vitesse radiale de Proxima par rapport au Soleil : celle-ci se rapproche de nous à la vitesse de 22 204 m/s, à 32 m/s près. Pour parvenir à une telle précision, nous avons pris en compte, en plus du décalage Doppler dû au déplacement de l’étoile dans l’espace, deux autres effets subtils qui affectent eux aussi son spectre lumineux et viennent donc « fausser » la vitesse radiale que l’on cherche à mesurer.
D’un côté, il y a le champ gravitationnel de l’étoile, qui retient les photons à la surface. Ces derniers arrivent à s’en échapper, mais perdent de l’énergie au passage et apparaissent alors légèrement rougis (la lumière rouge est moins énergétique que la lumière bleue). De l’autre, il y a le bouillonnement à l’intérieur de l’étoile – les mouvements de convection -, qui fait remonter de la matière chaude à la surface. Comme cette matière se rapproche de nous, sa couleur est décalée vers le bleu par effet Doppler. Ces deux effets peuvent être estimés précisément si l’on connaît la masse, le rayon et la température de l’étoile.
Toutes ces données en main, nous avons pu enfin déterminer la vitesse de Proxima par rapport à Alpha Centauri : 273 m/s à 49 m/s près, soit 980 km/h. Cette valeur étant nettement inférieure à la vitesse de libération (545 m/s ; environ 2 000 km/h), cela signifie que les trois étoiles sont liées gravitationnellement.
Connaissant la vitesse de Proxima et sa position dans le ciel, nous avons aussi pu calculer son orbite : elle effectue une révolution autour d’Alpha Centauri en 550 000 ans. C’est la plus longue période orbitale connue pour un système multiple d’étoiles. Projetée sur le ciel, la trajectoire de Proxima présente ainsi une très grande taille angulaire de plus de trois degrés, soit environ la largeur apparente de deux doigts, bras tendu. Ce mois-ci, le satellite européen Gaia donnera une mesure très précise de la distance et du mouvement propre de Proxima, ce qui permettra d’affiner encore davantage son orbite.
Une cible de choix
Notre découverte a des implications importantes sur la connaissance du système d’Alpha Centauri, et de la ou des planètes qu’il abrite. Comme la probabilité de capture d’un astre comme Proxima Centauri est faible, cela suggère en effet que les trois étoiles se sont formées ensemble à partir d’un même nuage de gaz et qu’elles ont donc le même âge. Jusqu’ici, on ne connaissait que l’âge des deux compagnons A et B, estimé entre 5 et 7 milliards d’années. Celui de Proxima, en revanche, était inconnu, car une étoile aussi petite évolue très lentement et ne change pratiquement pas d’apparence au cours de sa très longue existence – plusieurs milliers de milliards d’années, en théorie. Par ricochet, on peut estimer que la planète Proxima b a, elle aussi, le même âge, car elle s’est formée en même temps que son étoile. Cette planète serait donc plus âgée que la Terre de 1 à 2 milliards d’années. Une donnée d’importance, quand on sait que Proxima b, très probablement rocheuse comme la Terre, se trouve dans la zone d’habitabilité de son étoile, là où l’eau peut exister sous forme liquide. Si les conditions étaient réunies au départ, la vie aurait donc disposé de tout le temps nécessaire pour pouvoir apparaître à sa surface.
Nos travaux renforcent donc plus encore l’intérêt que les astronomes portent aujourd’hui à Proxima. Sa faible distance en faisait déjà une cible de choix, car elle est « facile d’accès » pour les télescopes. Puis la découverte d’une planète potentiellement habitable a rajouté à la fascination. Si bien que, désormais, tous les regards se braquent vers l’étoile et Proxima b, pour mieux les caractériser et tenter de découvrir d’autres planètes. Certains envisagent même d’envoyer un jour une mission spatiale étudier ce système stellaire in situ (lire encadré).
Qui plus est, le fait que Proxima appartienne à un système triple très particulier, car constitué de deux étoiles similaires au Soleil, proches l’une de l’autre, et d’une naine rouge très éloignée du couple principal, rend l’astre plus original encore. L’engouement des astronomes pour notre plus proche voisine n’est pas près de se démentir.
Depuis sa découverte en 1915, les astronomes soupçonnaient Proxima de former un système stellaire triple avec les étoiles Alpha Centauri A et B. Des observations viennent enfin de le démontrer. Ce résultat permet du même coup de donner un âge à l’étoile la plus proche du Soleil et, avec elle, à sa planète potentiellement habitable, Proxima b, détectée récemment.
OBJECTIF PROXIMA
Et si on envoyait une mission spatiale vers Proxima pour aller observer de plus près sa planète ? C’est l’idée ambitieuse du projet Breakthrough Starshot, financé par le milliardaire russe Yuri Milner. Objectif : lancer dans les prochaines décennies une flottille de vaisseaux miniatures, pesant quelques grammes et accélérés à une vitesse de 20 % de celle de la lumière (60 000 km/s) par un puissant faisceau laser tiré à partir de la Terre. À cette vitesse, ils atteindraient Proxima et ses voisines Alpha Centauri A et B en une vingtaine d’années « seulement ». Dépourvues de système de freinage, les sondes récolteraient brièvement des informations sur le système stellaire. Mais une option, actuellement à l’étude, prévoit de ralentir les engins à l’aide de la lumière des trois étoiles, pour les placer en orbite autour de Proxima ou même de sa planète. Les possibilités d’études scientifiques seraient alors bien plus riches. Seul bémol à ce freinage : la vitesse de croisière devrait être diminuée, allongeant le temps de voyage à plus d’un siècle !
(*) L’effet Doppler désigne le changement apparent de la fréquence d’un signal (son, lumière) émis par une source mobile et reçu par un observateur fixe. La variation de fréquence est proportionnelle à la vitesse relative entre l’observateur et la source.
David SCHMIDT