Comment détecter les exolunes ?

L’une des grandes quêtes de l’astronomie moderne est la recherche des lunes extra-solaires. Avec plus de 6 000 exoplanètes détectées à ce jour, les chercheurs et chercheuses s’attendent maintenant à détecter des exolunes. En effet, les satellites naturels sont très communs dans le système solaire. Il est donc logique de penser qu’il doit exister de très nombreuses lunes dans les autres systèmes stellaires. Cependant, si des centaines d’exocomètes ont déjà été observées dans des systèmes comme β Pictoris, les quelques exolunes potentiellement observées n’ont pas encore été confirmées.

Les lunes du système solaire

Les satellites naturels sont des objets extrêmement communs dans le système solaire. Pour rappel, un satellite naturel, aussi appelé lune, est un corps rocheux en orbite autour d’une planète. On appelle aussi compagnon tout objet tournant autour d’un autre astre (étoile, planète, astéroïde…). En fait, parmi les huit planètes, seules Mercure et Vénus n’ont pas de satellites. Cela est dû à leur proximité du Soleil. La gravité de ce dernier va rendre un système Planète-Lune trop instable. Toutes les autres planètes possèdent au moins un satellite.

La Lune est bien sûr celui de la Terre et Mars a également deux petits satellites : Phobos et Déimos. Pour les planètes géantes, le nombre de compagnons augmente drastiquement. Les deux planètes glacées, Uranus et Neptune, ont aujourd’hui respectivement 29 et 14 lunes connues. Cependant, ce n’est rien comparé aux deux plus grandes planètes du système. En effet, en plus des quatre lunes galiléennes Io, Europe, Ganymède et Callisto, Jupiter possède 95 satellites connus. Enfin, la championne est Saturne avec 274 compagnons. Même des objets plus petits possèdent des compagnons, comme la planète naine Pluton avec ses quatre satellites ou les astéroïdes Didymos et Dimorphos qui orbitent l’un autour de l’autre.

Cependant, cette grande diversité pose des problématiques sur la définition exacte d’une lune. En effet, dans un cas comme le couple Pluton/Charon, Charon mesure 1 214 km de diamètre contre 2 370 km pour Pluton. La faible différence de masse entre les deux objets fait qu’au lieu d’avoir un système où Charon tourne autour de Pluton (comme pour la Terre et la Lune), le centre de gravité, c’est-à-dire le point autour duquel tournent les deux astres, se situe en fait entre Pluton et Charon. Dans ce cas-là, une grande partie de la communauté scientifique parle plutôt de système binaire.

Image composite des photographies de Pluton et de Charon prisent par la sonde New Horizon. La taille des deux objets est à l'échelle mais pas la séparation. ©NASA, APL, SwRI — Image composite des photographies de Pluton et de Charon prises par la sonde New Horizons en 2015. La taille des deux objets est à l’échelle mais pas la séparation. ©NASA, APL, SwRI

Observer le transit des exolunes

L’une des premières méthodes imaginées pour détecter des lunes extrasolaires est celle des transits. En effet, les campagnes d’observations, comme celle effectuée avec le télescope spatial Kepler, permettent d’observer des milliers d’étoiles sur de longues périodes. Cela augmente ainsi la probabilité de détecter une exoplanète et également une exolune. Cependant, si plus de 4 000 planètes ont été observées grâce à cette méthode, aucune exolune n’a été confirmée.

La difficulté avec cette méthode est la proximité des exoplanètes avec leur étoile. Pour détecter une planète par transit, on observe la luminosité de l’étoile. Si une planète passe entre le télescope et l’étoile, elle va cacher une partie de la lumière et on observera alors une baisse de la luminosité. Le problème étant qu’une planète comme la Terre ne passera devant son étoile qu’une fois par an. Il est donc plus simple d’observer des exoplanètes très proches faisant le tour de leur étoile en quelques jours. Malheureusement, comme pour Mercure ou Vénus, la proximité avec l’étoile rend alors quasi impossible la formation d’un satellite.

Ainsi, les premières études ciblant des systèmes avec des planètes géantes plus proches de leur étoile que la Terre du Soleil n’ont pas été concluantes. En 2022, une étude menée par l’américain David Kipping a analysé les données obtenues pour 70 planètes géantes situées à environ une unité astronomique (UA). Pour rappel, une UA correspond à une fois la distance Terre-Soleil, soit environ 150 millions de kilomètres. Lorsque l’équipe a observé des indices pouvant signifier la présence d’une exolune, elle a alors testé différents paramètres comme l’impact des variations naturelles de l’étoile ou la recherche de variation de temps de transit (TTV) pour valider cette observation. En effet, un satellite autour d’une planète va modifier l’orbite de cette dernière au cours du temps et on devrait donc observer des transits avec des durées variables.

Parmi les 70 planètes, une seule a été retenue comme une candidate sérieuse, Kepler-1625 b. Il s’agit d’une planète gazeuse d’environ 10 fois le rayon terrestre et avec une masse pouvant aller jusqu’à 4,6 fois celle de Jupiter. Les modèles utilisés pour reproduire les transits observés incluent une exolune faisant entre 2,2 et 3 fois le rayon de la Terre avec une masse jusqu’à 37 fois plus importante que celle de notre planète. Il s’agirait donc d’une mini-Neptune en orbite autour d’une planète géante. Cependant, la précision des données actuelles ne permet pas de confirmer de façon certaine l’existence de cette exolune. De plus, les modèles de formation planétaires ont encore du mal à expliquer la présence d’un satellite aussi massif.

Modélisation des transits de la planète Kepler-1625 b en incluant la présence d'une exolune. ©Kipping, D. et al. (2022) — Modélisation des transits de la planète Kepler-1625 b en incluant la présence d’une exolune. © Kipping, D. et al. (2022)

L’orbite d’une planète perturbée par son exolune

Si la méthode des transits est aujourd’hui la plus courante pour rechercher des exolunes, une étude de 2026 menée par le chercheur français Quentin Kral a utilisé la méthode de l’interférométrie avec l’instrument GRAVITY. Cet instrument, installé sur le Very Large Telescope (VLT) au Chili, observe un système avec les quatre télescopes de 8 m de diamètre du VLT en simultané et recombine la lumière pour obtenir une résolution exceptionnelle. Cela a ainsi permis de suivre précisément le mouvement du compagnon HD 206893 B.

HD 206893 B est un objet ayant une masse comprise entre 18 et 21 fois la masse de Jupiter. Il s’agit d’une Naine Brune, un objet situé à la jonction entre une planète géante et une étoile. En effet, en dessous d’environ 75 fois la masse de Jupiter, un objet n’est pas assez massif pour enclencher la fusion de l’hydrogène et donc s’allumer comme une étoile. Par contre, au-delà d’environ 13 masses de Jupiter, l’objet va fusionner du deutérium, de l’hydrogène avec un neutron supplémentaire, et produire un peu de lumière et de chaleur. Cette naine brune se situe à environ 9 ua de son étoile, légèrement plus proche que Saturne. Une exoplanète géante a également été détectée dans ce système à environ 3,6 ua par l’équipe de Sasha Hinkley.

Kral et son équipe ont ainsi observé le mouvement de HD 206893 B durant quatre mois en 2024. Pour commencer, l’équipe a retiré l’influence de l’étoile et de la planète. Ils ont ensuite observé de faibles perturbations dans les données restantes. Cela pourrait être dû à la présence d’un compagnon avec une masse estimée à environ la moitié de celle de Jupiter et situé à environ 35 millions de kilomètres de HD 206893 B. Néanmoins, ce mouvement est à la limite de la précision des mesures. Des erreurs dans les mesures pourraient donc expliquer ces observations. De plus, une planète inconnue supplémentaire dans le système pourrait induire des perturbations dans l’orbite de la naine brune.

Des observations supplémentaires seront donc également nécessaires pour confirmer ou non l’existence de cette lune. Cependant, la question de sa nature se pose également. En effet, un objet de la taille d’une planète géante autour d’une naine brune est-il vraiment un satellite ? De plus, le centre de gravité des deux objets est en dehors de HD 206893 B (voir ci-dessous). Il s’agirait donc plus d’un système binaire que d’une réelle exolune.