Pour approfondir

Ce qu’on découvre dans la presse…

Certains articles de presse parlent d’une « planète bling bling en diamant » sans trop entrer dans le détail¹… Si ce n’est peut-être de préciser qu’elle est trop éloignée pour qu’on puisse l’exploiter ou que seul un tiers de sa masse soit en diamant (soit plusieurs fois la masse de la Terre quand même).

Passé le titre racoleur (« Une étonnante planète de diamant découverte »² par exemple). On apprend quelques informations plus précises comme le véritable nom de l’étoile : 55 Cancri e. On trouve aussi quelques propriétés de la planète comme sa période de révolution (18 jours), sa température (1 648 °C ou 2 148 °C selon les sources), son diamètre (12 747 km) ou sa distance (40 ou 44 années­lumière).

Il est rapidement fait mention que la composition chimique de la planète découlerait de simulations informatiques et, si on est attentif, que d’autres simulations donnent une autre composition³.

Dans tous les cas, l’illustration montre bien que la planète est en diamant !

Ce que les scientifiques ont vraiment découvert…

En réalité, il y a de nombreuses études sur cette planète qui donnent toutes beaucoup d’informations. Certaines mesures diffèrent d’un article à l’autre et on peut les comparer, ainsi que leurs précisions et la méthode utilisée sur le site de la NASA qui archive toutes ces données : NASA Exoplanet Archive.

Les paramètres les plus importants de la planète 55 Cancri e, sont son rayon (qui va globalement déterminer sa taille), sa masse (qui va permettre de déterminer sa densité, puis estimer sa composition) et sa distance par rapport à son étoile (qui va avoir un effet important sur sa température de surface).

Comment mesure-t-on la masse d’une exoplanète ?

Pour trouver la masse de 55 Cancri e, les scientifiques ont utilisé la méthode des vitesses radiales. En tournant autour de son étoile, 55 Cancri e modifie légèrement son mouvement. L’étoile s’approche alors légèrement puis s’éloigne légèrement de nous qui l’observons depuis la Terre. Cette minuscule variation de vitesse de l’ordre de quelques mètres par seconde (on rappelle que l’étoile se trouve à plusieurs dizaines d’années lumière…) modifie très légèrement la lumière émise par l’étoile.

Cette infime modification se mesure dans le spectre de l’étoile, c’est ce qu’on appelle l’effet Dopler.

Les scientifiques calculent alors un périodogramme qu’ils ajustent pour obtenir le meilleur accord possible avec les mesures et en déduisent les paramètres de l’orbite de la planète.

Lorsque la période de variation \(P\) de la vitesse de l’étoile est connue, la troisième loi de Kepler permet de trouver la distance \(r\) à laquelle la planète orbite par rapport à son étoile :

\(M_\star\) étant la masse de l’étoile et \(G\) la constante gravitationnelle.

La loi de Newton permet ensuite de déterminer la vitesse \(v\) de la planète, puis on en déduit sa masse \(M\) :

Évidemment, de nombreuses approximations et suppositions doivent être faites en cours de route (comme l’angle avec lequel le système planète-étoile est observé, par exemple) et les valeurs obtenues comportent une certaine marge d’erreur.

Comment mesure-t-on le rayon d’une exoplanète ?

Pour déterminer le rayon de l’exoplanète, il faut avoir un peu de chance. Il faut qu’elle tourne autour de son étoile dans le même plan que celui dans lequel on se trouve pour l’observer. Il arrive alors qu’elle passe devant l’étoile et cache ainsi une infime partie de sa luminosité. C’est ce qu’on appelle un transit.

Les scientifiques ont pu utiliser cette méthode pour 55 Cancri e.

L’analyse du flux lumineux de l’étoile 55 Cancri ainsi que les propriétés de l’étoile permettent ainsi d’estimer, entre autres, le rayon de la planète.

Comment détermine-t-on la composition d’une exoplanète ?

Lorsque les scientifiques connaissent la masse \(M\) et le volume \(V\) de la planète (le volume se calcule à partir du rayon : \(V = 4/3 × \pi × R^3\)), ils peuvent déterminer la masse volumique \(\rho\) de la planète :

Ils utilisent alors un modèle mathématique qui permet d’extrapoler la composition de la planète à partir de sa densité en comparant ces données à des valeurs connus pour d’autres planètes.

Winn et al. 2011.	Madhussudhan et al. 2012.

Une première simulation en 2011 estimait la planète essentiellement composée de fer et de roches.

Dans une autre étude, en 2012 d’autres scientifiques utilisent un autre modèle où ils considèrent un système stellaire moins riche en oxygène. Ils obtiennent alors une planète 55 Cancri e plus riche en carbone. Leur modèle doit tenir compte de la forme sous laquelle se trouvent les différents composés chimiques constituant la planète. Pour certaines couches profondes où la pression est énorme, le carbone se trouve sous la forme de diamant et les scientifiques utilisent les propriétés du diamant dans leur modèle pour un tiers de la masse de la planète…

Ce qu’un élève de collège peut comprendre…

La méthode des vitesses radiales

Quand un athlète lance un marteau lors des jeux olympiques, il fait tourner le marteau autour de lui. Mais on remarque que l’athlète tourne aussi autour d’un point : il n’est pas immobile au centre du cercle décrit par le marteau, il décrit lui-aussi un cercle.

C’est la même chose pour une étoile. Si une planète tourne autour d’une étoile, l’étoile va aussi décrire un tout petit cercle. Plus la planète est lourde et plus le cercle est grand (pareil pour l’athlète : avec un marteau très léger, on ne le verrait pas décrire de cercle et il resterait immobile en faisant tourner son petit marteau).

Bien sûr, le cercle que décrit l’étoile est beaucoup trop petit pour être visualisé directement. Mais lorsque l’étoile parcourt ce cercle — si elle est correctement orientée par rapport à nous — elle va se rapprocher puis s’éloigner de nous.

Et c’est là qu’intervient l’effet Dopler. C’est un effet qu’on connaît bien avec le son : quand une ambulance s’approche de nous, le son qu’elle émet est plus aigu et lorsqu’elle s’éloigne, il est plus grave. La lumière étant une onde (comme le son malgré qu’elle ne soit pas de la même nature), le même effet Dopler peut être mesuré.

Cet effet est très faible et nécessite des mesures très précises mais elles permettent de détecter la rotation de l’étoile et d’en déduire la présence d’une exoplanète.

La méthode du transit

C’est un peu moins compliqué que la méthode précédente.

Un transit bien connu a lieu lors d’une éclipse de Soleil. La Lune passe devant le Soleil et cache toute sa lumière. On le remarque assez facilement !

Mais Vénus et Mercure passent aussi devant le Soleil de temps en temps. Comme elles sont beaucoup plus éloignées de nous que la Lune (donc plus proches du Soleil), elles cachent une beaucoup plus petite partie du Soleil… et on ne le remarque pas du tout.

…Sauf si on sait à quel moment ça se produit, et qu’on utilise un instrument pour observer le Soleil à ce moment-là.

La luminosité de l’étoile diminue un peu et on comprend aisément qu’on peut deviner l’orbite de la planète en comptant au bout de combien de temps elle repasse devant l’étoile. On comprend aussi qu’une planète plus grosse ou plus éloignée va diminuer davantage la luminosité de l’étoile qu’une planète plus petite ou plus proche.

La composition

Pour la composition, c’est un peu plus compliqué.

Pour un objet constitué d’une substance pur, c’est assez simple. Archimède est d’ailleurs très connu, selon la légende, pour avoir déterminé si la couronne du roi Hiéron II de Syracuse était ou non en or. Il a mesuré sa masse (avec une balance), puis il a mesuré son volume (en plongeant la couronne dans l’eau) ; et il a calculé sa densité (ou sa masse volumique) qu’il a comparé à celle de l’or. En effet, la masse volumique ou la densité de l’or est constante (à une température et une pression données) et chaque matériau à sa propre densité.

La difficulté avec une planète, c’est qu’elle contient un grand nombre de substances avec des densités différentes et que la pression et la température changent selon la profondeur à laquelle on se trouve dans la planète.

La solution est donc de comparer les propriétés de la planète à celles de planètes connues dont on connaît en partie la composition et d’essayer de trouver une corrélation… On se doute que ce n’est pas toujours précis. D’ailleurs, le scientifique français ayant participé à la rédaction de l’article qui estime qu’un tiers de la masse de 55 Cancri e est en diamant a déclaré sur le ton de l’humour à l’Est Républicain³ « J’avais par exemple déterminé qu’un des satellites de Saturne, Titan, était riche en gaz rares. Vérification faite par une sonde il n’y en a pas… Heureusement que j’avais eu mon poste à l’université avant » !

Notes

Le monde sans fin est une bande-dessinée de Christophe Blain et Jean-Marc Jancovici qui explique de façon très claire et argumentée l’impact de l’être humain sur le climat et l’environnement.

Ce livre nous permet d’avoir une approche et une vision complètement différente de la notion d’énergie et nous permet de nous poser des questions sur le fonctionnement de notre société.

Le lecteur est guidé par les personnages dans un raisonnement qui va lui faire aborder les enjeux écologiques, climatiques, économiques, sociétaux et politiques au fil des pages… Mais bien que ces concepts puissent sembler compliqués, tout est expliqué avec simplicité et humour tout en restant rigoureux d’un point de vue scientifique.

Tu mourras moins bête est une bande-dessinée de Marion Montaigne dans laquelle elle répond avec beaucoup d’humour à des questions plus ou moins loufoques telles que :

• Peut-on stopper un astéroïde ?
• Que faire d’un cadavre dans l’espace ?
• Pourquoi Derrick n’est pas allé sur Mars ?
• Est-ce que la téléportation est bientôt au point ?
• Le film « Chéri j’ai rétréci les gosses » est-il réaliste ?
• etc.

Dans chaque cas les réponses sont basées sur des explications et un raisonnement scientifiques. En effet, Marion Montaigne s’est entourée de scientifiques et n’hésite pas à aller visiter des labos pour maîtriser chaque sujet…

Le premier tome se consacre à l’analyse de ce qu’on nous montre au cinéma et on constate qu’il y a pas mal de scènes qui méritent qu’on se pose quelques questions à propos de leur réalisme…

Et pour ceux qui apprécient le sujet et le ton décalé, il y a 4 tomes de plus à découvrir. Une chose est sûre, c’est qu’après avoir lu les 5 tomes, tu mourras moins bête¹.

Notes

Il s’agit d’un jeu vidéo créé par des chercheurs dont le but est de découvrir des nouveaux médicamments anti-viraux, notamment pour lutter contre le coronavirus. Les découvertes les plus prometteuses des joueurs peuvent être produites et testées en laboratoire.

CC-BY-SA Thomas Splettstoesser

Le jeu est gratuit. Il suffit de se créer un compte, après avoir téléchargé et lancé le logiciel, pour pouvoir commencer. Un petit tutoriel permet de se familiariser avec l’interface.

Pour démarrer, va sur le site de Fold.it et clique sur le lien de téléchargement en haut à droite.

Comment ça marche ?

Le but de jeu est tout simplement de trouver comment plier des protéines.

Les protéines

Les protéines sont d’énormes molécules fabriquées dans les cellules des êtres vivants. Elles sont essentielles au fonctionnement des cellules où elles peuvent avoir de nombreux rôles : structure, enzyme (qui accélère certaines transformations chimiques), moteur moléculaire, réponse immunitaire…

Une protéine peut être constituée de plusieurs milliers ou centaines de milliers d’atomes ! Les technologies actuelles permettent de connaître assez « facilement » l’enchaînement de ces atomes dans les protéines mais les propriétés chimiques des protéines dépendent surtout de leur forme.

Or il est très difficile de déterminer expérimentalement la forme d’une molécule (surtout que cette forme dépend en plus de l’environnement de la protéine).

La forme des protéines

Les scientifiques connaissent depuis longtemps certaines règles sur la structure des protéines. Par exemple certains enchaînements d’atomes forment une sorte de spirale. D’autres forment des sortes de feuillets. Certains enchaînements d’atomes « préfèrent » se placer à l’intérieur de la protéine, d’autres plutôt à l’extérieur, etc.

Quand les scientifiques représentent une protéines, ils ne dessinent donc pas tous les atomes mais uniquement certains tandis que d’autres sont remplacés par la forme générale des enchaînement d’atomes. On obtient ce genre d’image :

CC-BY-SA Thomas Splettstoesser

Même avec ce type de simplification, le nombre de façons de placer les atomes ou d’enrouler la structure formée par la protéine est presque infini. Les scientifiques utilisent alors des ordinateurs qui font de très très longs calculs pour trouver les formes les plus stables des protéines. Ils se servent d’un certains nombre de règles : certains atomes doivent rester proches car ils sont liés (attachés ensemble), d’autres doivent restés éloignés car ils se repoussent, il faut conserver certaines structures en spirale ou en feuillets, etc.

Comment aider les scientifiques ?

Les ordinateurs n’arrivent pas toujours à trouver la meilleure structure pour une protéine et l’être humain est parfois plus efficace même sans être un « expert en protéine ».

Par exemple, en voyant l’image d’une protéine, il arrive qu’un être humain devine intuitivement comment placer les spirales les unes par rapport aux autres pour qu’elles prennent le moins de place possible alors que l’ordinateur n’y arrive pas (il suit des règles mais sans vraiment avoir une vision d’ensemble).

Il arrive aussi qu’un être humain trouve une solution improbable que l’ordinateur n’aurait jamais testé et à laquelle aucun scientifique n’aurait pensé.

C’est là qu’intervient Fold-it !

Fold-it applique un certain nombre de lois physiques à la protéine pour que sa structure soit réaliste mais en laissant l’être humain (le joueur) la modifier et la déformer comme il le souhaite. Un score permet de savoir le niveau de stabilité de la protéine.

Voici une capture d’écran du jeu (pendant le tutoriel) :

Certaines parties de l’interface sont en anglais…

Et le coronavirus ?

Pour produire un médicamment contre le coronavirus, il est nécessaire de comprendre son fonctionnement. Par exemple, le virus est recouvert de différents types de protéines qui forment des pics à sa surface et qui servent à se lier aux récepteurs des cellules humaines à infecter.

Une solution pour lutter contre ce virus pourrait être, par exemple, de trouver une protéine ayant une forme adaptée pour se coller sur ces pics et les neutraliser.

Fold-it a mis en place des défis pour trouver ce type de protéine.

Alors bon courage et bon pliage de protéines !

Zeste de sciences est une chaîne Youtube de vulgarisation scientifique présentée par Léa Bello.

L’émission traite de sujets scientifiques de pointe mais avec humour et dans des termes compréhensibles par tous.

Par exemple sur la collision des planètes :

ou sur l’atmosphère de Jupiter :

ou encore sur les colonies de robots-cafards…

Couverture issue de decitre.fr.

Seul sur Mars est un roman de science-fiction d’Andy Weir.

Suite à une tempête, l’équipage d’une mission scientifique installée sur Mars doit quitter la planète en urgence. Lors du départ précipité, Mark Watney est percuté par un débris et ne peut rejoindre la navette. Les autres membres de l’équipe le croyant mort, ils l’abandonnent sur place.

En fait, Mark Watney survit à l’incident et se retrouve seul sur la planète Mars. Il doit alors faire preuve d’ingéniosité pour survivre dans cet environnement hostile en se fabriquant sa propre nourriture, son oxygène, de l’énergie, un moyen de communication, etc. tout en ne disposant que de matériel limité.

Un des points forts du roman est sa grande cohérence scientifique. La quasi totalité des situations décrites est tout à fait plausible scientifiquement. Le roman peut ainsi servir de base au collège pour aborder un grand nombre de notions (culture des plantes, composition du sol, force et pesenteur, orbites et trajectoires, synthèse du dioxygène…).

Le film

Couverture issue de decitre.fr.

Le film Seul sur Mars de Ridley Scott reprend assez fidèlement l’histoire du roman.

Plusieurs aspects scientifiques y sont simplifiés et sont donc moins réalistes que dans le roman mais dans l’ensemble le film conserve une très grande cohérence.