Ces mondes présentent une diversité que le seul Système solaire ne laissait pas soupçonner. Les jupiters chauds, géants gazeux évoluant à quelques millions de kilomètres de leur étoile, sont soumis à des températures dépassant parfois 3000 °C et sont vraisemblablement tidalement verrouillés, montrant toujours la même face. Les super-Terres, plus massives que notre planète mais moins que Neptune, constituent la catégorie la plus fréquemment détectée ; certaines pourraient être rocheuses, d'autres recouvertes d'un océan global. Les planètes de type Neptune froid évoluent loin de leur étoile dans des conditions glaciales, tandis que des objets encore plus mystérieux, comme les planètes océan ou les mini-Neptunes, brouillent nos classifications héritées du système solaire.

Les détecter est un défi formidable, car une planète est des milliards de fois moins lumineuse que son étoile. La méthode des transits (exploitée massivement par les télescopes Kepler et TESS) consiste à mesurer l'infime baisse de luminosité d'une étoile lorsqu'une planète passe devant elle. La méthode des vitesses radiales détecte, par effet Doppler, le léger vacillement qu'une planète impose à son étoile par attraction gravitationnelle. La microlentille gravitationnelle exploite la courbure de la lumière d'une étoile d'arrière-plan par la masse d'un système planétaire intermédiaire. Enfin, l'imagerie directe (la plus intuitive mais la plus difficile) parvient parfois, avec un coronographe masquant l'étoile, à photographier la planète elle-même.
Le concept central qui structure toute la recherche est la zone habitable : la bande orbitale où la température permet à l'eau de rester liquide en surface. Une planète trop proche de son étoile voit ses océans s'évaporer; trop loin, ils gèlent. Une soixantaine d'exoplanètes connues se trouvent dans cette région prometteuse, dont la célèbre Proxima Centauri b, à seulement 4,2 années-lumière.

Depuis 2022, le télescope spatial James Webb analyse les atmosphères d'exoplanètes par spectroscopie des transits : la lumière stellaire filtrée par l'atmosphère révèle la présence de molécules (vapeur d'eau, méthane, dioxyde de carbone). C'est dans cette direction que se joue la question la plus vertigineuse : une signature chimique inattendue pourrait un jour trahir la présence de processus biologiques à des années-lumière de la Terre.

La découverte de planètes au-delà du Système solaire.
Depuis 1995, des milliers de planètes, appelées exoplanètes ou planètes extrasolaires, ont été découvertes, gravitant autour d'étoiles ordinaires autres que le Soleil. La première de ces planètes, a été découverte par Michel Mayor et Didier Queloz, de l'observatoire de Genève, autour de 51 Pegasi (Pégase), une étoile de la séquence principale, située à une quarantaine d'années-lumière de nous. Cette planète (nommée 51 Pegasi b) n'a pas été observée directement, sa présence a été déduite de l'observation (via l'effet Doppler) de ses effets gravitationnels sur son étoile. Les premières planètes découvertes l'on été par cette méthode. Une autre méthode indirecte  s'est révélée aussi très féconde : l'observation du transit de planètes devant leur étoile. L'observation directe de planètes, beaucoup plus difficile, et possible seulement sous des conditions particulières a également porté ses fruits. 

La méthode des vitesses radiales.
Les planètes ne tournent pas exactement autour de leur étoile, mais autour de leur centre de masse commun, si bien que l'étoile, elle aussi, a un mouvement de révolution autour de ce point. Une étoile possèdant une planète s'éloigne et se rapproche donc périodiquement de nous. Or, cette variation de sa vitesse radiale peut être mise en évidence grâce au décalage périodique affecté par le spectre lumineux de l'étoile, en vertu de l'effet Doppler. La période de ce balancement donne une indication sur la distance de la planète à son étoile; son amplitude informe sur la masse de la planète.
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Il est ainsi apparu que  51 Pegasi b, circule en 4,2 jours autour de son étoile, ce qui la place sur une orbite de seulement 7 millions de kilomètres (par comparaison, Mercure circule à 58 millions de kilomètres du Soleil); la masse de la planète peut, par ailleurs, être évaluée à environ la moitié de la masse de Jupiter. Des caractéristiques qui font déjà du système planétaire auquel elle appartient quelque chose de très différent du nôtre, et aussi de très étonnant  : tout ce que l'on pouvait déduire jusqu'à cette première découverte de l'observation du Sytème solaire, le seul système planétaire connu jusque-là, ne permettait pas d'imaginer qu'une planète géante aurait pu circuler aussi près de son étoile (ce qui lui confère une température de plusieurs milliers de degrés Celsius); les planètes géantes du Système solaire évoluent dans des régions éloignées du Soleil, et donc froides. 

Depuis 1995, beaucoup d'autres exoplanètes ont été découvertes grâce à la même méthode. 

Planètes en transit.
Une autre méthode importante a aussi donné des résultats.  Elle repose sur l'idée que si son orbite est correctement alignée, une planète passera périodiquement devant l'étoile, provoquant une diminution temporaire de la luminosité de l'étoile. Un tel événement  est connu sous le nom de transit. La première exoplanète découverte par la méthode des transits, en utilisant des mesures de télescopes au sol,  l'a été en 1999 autour de l'étoile HD 209458 (elle aussi dans la constellation de Pégase). Vue depuis la Terre, la planète transite par son étoile mère pendant environ 3 heures tous les 3,5 jours.
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La quantité de lumière bloquée - la profondeur du transit - dépend des dimensions de la planète comparées à celles de son étoile. Si on peut déterminer la taille de l'étoile, la méthode du transit permet de calculer la taille de la planète.

L'intervalle entre les transits successifs correspond à la période de révolution de cette planète. Sa connaissance permet de calculer la distance moyenne de la planète à son étoile. 

On notera que l'observation d'un minimum de trois transits successifs est nécessaire pour assurer avec une bonne probabilité la découverte d'une exoplanète. Le premier affaiblissement observé de la lumière de l'étoile n'est qu'une alerte (d'autres raisons qu'un transit pourraient expliquer le phénomène). Le deuxième ne garantit rien non plus, mais dans le cas où l'on a bien affaire au transit d'une planète, on dispose là d'une indication sur sa période de révolution, et l'on sait alors quand attendre le prochain affaiblissement de la lumière. Si ce troisième affaiblissement intervient au moment  calculé, on a de bonnes chances d'avoir découvert une nouvelle planète. Cette nécessité d'attendre au moins trois événements explique que la méthode des transits n'ait, à ce jour, permis de détecter que des planètes proches de leur étoile (et donc ayant des périodes de révolution très courtes). Pour détecter (autour d'une étoile de la masse du Soleil) détecter une planète orbitant autour de son étoile à la distance de notre Jupiter (période de révolution), il faudrait déjà disposer de données recueillies sur un intervalle de temps de 3 x 12 = 36 ans.

• CoRoT. - Les planètes en transit peuvent révéler une telle richesse d'informations que l'Agence spatiale française (CNES) et l'Agence spatiale européenne (ESA) ont lancé en 2007 le télescope spatial CoRoT pour détecter ces phénomènes. CoRoT a ainsi découvert 32 exoplanètes en transit, dont la première d'une taille et d'une densité similaires à la Terre. Une panne d'ordinateur a cependant mis fin à la mission en 2012. 

• Kepler. - Dans l'intervalle, en 2009, la NASA avait lancé le télescope spatial Kepler, dédié à la même tâche, mais bien plus précis. L'observatoire spatial a scruté en permanence plus de 150 000 étoiles dans une petite parcelle de ciel près de la constellation du Cygne juste au-dessus du plan de notre la Voie lactée. Les instruments de Kepler et leur capacité à mesurer très précisément de petits changements de luminosité ont permis la découverte de milliers d'exoplanètes, y compris de nombreux systèmes possédant plusieurs planètes.  Une panne du système de stabilisation en 2013 a obligé à revoir les objectifs de la mission, mais le télescope Kepler a continué à observer pendant encore deux ans, à la recherche de transits de courte durée dans différentes parties du ciel.
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Le télescope spatial Kepler et son champ d'observation.
(Source : NASA/Kepler mission/Wendy Stenzel).

• TESS. - Une nouvelle mission de la NASA, appelée TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite), a été lancée en 2018 afin d'effectuer un relevé dans tout le ciel des étoiles les plus proches (et donc les plus brillantes). La puissance plus grande des instruments de TESS, par rapport à ceux de de Kepler, et le domaine du spectre scruté (le proche infrarouge), ajoutés à un choix de cibles plus lumineuses et donc plus faciles, favorise la recherche d'exoplanètes similaires à la Terre. Cette mission se veut ainsi une préparation à certains aspects de celle du télescope spatial infrarouge géant James Webb,  déployé en 2022 au point de Lagrange terrestre L2, et capable notamment d'étudier les atmosphères des exoplanètes.

La méthode Doppler permet d'estimer la masse d'une planète. La méthode des transits donne accès à son diamètre. Si donc on peut appliquer les deux méthodes à une même planète, il devient possible de calculer sa densité moyenne (masse/volume). Ainsi la planète  autour de l'étoile HD 209458, découverte, comme on l'a dit plus haut par la méthode des transits,  a-t-elle pu être étudiée aussi au travers de mesures Doppler. Ces deux approches combinées ont montré que sont rayon est  environ 35% plus grand que celui de Jupiter et que sa masse est d'environ 70% celle de notre planète géante. Cela a permis, pour la première fois, de déterminer de quoi était faite une exoplanète : sa masse à rapportée à son rayon fait de HD 209458 un monde gazeux et liquide comparable à Jupiter ou à Saturne. 

La méthode des transits permet également d'approcher la constitution chimique de l'atmosphère de l'exoplanète étudiée grâce à l'étude de son spectre en absorption. Par exemple, toujours dans le cas de la planète détectée autour de HD 209458, les observations de cette absorption ont d'abord été faites aux longueurs d'onde des raies jaunes du sodium et ont montré que l'atmosphère de la planète contient cet élément. Depuis, d'autres éléments ont pu être mesurés, ainsi que des molécules de méthane et de vapeur d'eau entre autres.

Elles semblent avoir été expulsées par diverses interactions gravitationnelles (effets de marée) de leur système planétaire d'origine. Il existe ainsi  des région de l'espace plus propices que d'autres à de telles expulsions, tels les régions de formation stellaire, les très jeunes amas ouverts et les associations d'étoiles massives.  Il est imaginable aussi que ces planètes ne soient, comme d'ordinaire, des sous-produits de la formation d'une étoile, mais que leur processus de formation est été celui d'une étoile, directement à partir de matière interstellaire. Ces objets seraient alors comme des sous-naines brunes, des accumulations de matière dont la masse aurait été insuffisante pour que s'y déclenchent des réactions nucléaires.

Détection directe.
Les détections indirectes de planètes extrasolaires ont constitué une première et fructueuse étape. Les observations directes sont beaucoup plus difficiles, car les planètes, de dimensions relativement petites et réfléchissant seulement la lumière de leur étoile, sont très peu lumineuses par rapport à celle-ci. Leur lumière est noyée dans celle de l'étoile. Des détections directes ont pourtant eu lieu : elles ont concerné seulement des planètes à la fois suffisament éloignées de leur étoile hôte et suffisamment chaudes pour émettre elles-mêmes un  rayonnement infrarouge notable. Cela ne concerne que des planètes géantes jeunes, possédant encore une grande quantité d'énergie interne (l'énergie stockée à partir de leur processus de formation). 

Il a fallu attendre 2008, pour que de telles jeunes planètes soient découvertes de cette façon. Elles gravitent autour de l'étoile, HR 8799, dans la constellation de Pégase (trois ont été observées dans un premier temps, puis une quatrième, deux ans plus tard). Depuis, un certain nombre de planètes autour d'autres étoiles ont été découvertes en utilisant l'imagerie directe. Cependant, il a souvent été difficile de décider en quoi consistent ces objets. S'agit-il bien de véritables planètes ou  seulement de de naines brunes (étoiles défaillantes) en orbite autour d'une étoile? Les estimations qui sont faites des masses de ces objets dépendent largement des modèles théoriques et il est souvent difficile de décider de leur nature exacte.
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Planètes observées directement
autour de HR 8799.
(Le disque sombre, au centre, 
masque l'éclat de l'étoile).

Malgré ces incertitudes et les difficultés pratiques auxquelles elle se confronte, l'imagerie directe reste une technique importante pour caractériser une exoplanète. La luminosité de la planète peut être mesurée à différentes longueurs d'onde. Ces observations fournissent une estimation de la température de l'atmosphère de la planète; dans le cas de la première planète découverte en orbite autour de HR 8799, la couleur suggère la présence de nuages épais. Les spectres peuvent également être obtenus à partir de leur faible lumière pour analyser les constituants atmosphériques. Un spectre de cette même planète indique une atmosphère riche en hydrogène, tandis que la quatrième planète du même système, plus proche de son étoile, possède du méthane dans son atmosphère.
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Les observations dans l'infrarouge ont également permis de détecter des planètes orphelines. C'est ainsi que l'on a découvert, en 2014, la planète orpheline la plus proche connue, nommée WISE 0855-0714, qui se situe à 7,23 années-lumière de nous, dans la constellation de l'Hydre. Et c'est encore la même méthode qui a permis d'annoncer,  fin 2021, la découverte de pas moins de 70 de telles planètes sans étoile hôte dans la région de l'association OB la plus proche de nous, dans le Scorpion. Ce qui a doublé pratiquement le nombre de tels objets connus.

La grande moisson des exoplanètes.
Il existe de nombreux systèmes planétaires semblables au nôtre, avec des planètes qui suivent des orbites à peu près circulaires, et qui possèdent des planètes géantes gravitant à plusieurs unités astronomiques (UA) de leur étoile hôte. Mais on connaît aussi de nombreux et systèmes planétaires très différents, possédant des planètes également très différentes de celles que l'on rencontre autour du Soleil. 

Outre les planètes plusieurs fois plus massives que Jupiter (les super-Jupiters), on connaît désormais des planètes avec des masses comprises entre la masse de la Terre et celle de Neptune, soit avec des masses comprises entre 3 et 10 fois la masse de notre planète. On distingue parmi elles, selon leur densité et la structure qui peut en être déduite, deux catégories :  les super-Terres, objets rocheux et denses avec des rayons compris entre 1,4 et 2,8 de celui de la Terre, et les mini-Neptunes, objets possédant une épaisse atmosphère à l'image des planètes géantes et des des tailles le plus souvent comprises entre 2,8 et 4 fois cellle de la Terre.

Trente milliards de Terres.
Les limites inhérentes aux moyens de détection introduisent de nombreux biais. En particulier, on ne peut pas détecter des planètes beaucoup plus petites que la Terre ou les planètes très éloignées de leur étoile. Mais le grand nombre d'exoplanètes découvertes permet cependant de conclure que les planètes rocheuses de la taille de la Terre ou qui se rangent dans la catégorie des super-Terres, sont très fréquentes, et qu'elles sont même bien plus fréquentes que les planètes gazeuses de la taille de Jupiter. Certaines étoiles possèdent plusieurs Terres et super-Terres, d'autres aucune, mais, au final il apparaît qu'il y a dans la Galaxie, en moyenne, autant de planètes rocheuses que d'étoiles ordinaires (il pourrait en exister davantage circulant à de grandes distances de leur étoile), et que le tiers d'entre elles sont, par leurs dimensions, très semblables à la Terre. Autrement-dit, si l'on considère, qu'il y a dans notre Galaxie 100 milliards d'étoiles similaires au Soleil (c'est-à-dire d'étoiles de la séquence principale des types spectraux F, G et K), alors il existe environ 30 milliards de planètes de la taille de la Terre dans notre Galaxie. C'est une des découvertes les plus importantes de l'astronomie contemporaine.

Systèmes exoplanétaires.
Le premier système exoplanétaire a été découvert autour de l'étoile Upsilon Andromedae (Andromède) en 1999 à l'aide de la méthode des vitesses radiales. De nombreux autres ont été identifiés depuis. Quelques-uns sont représentés sur la figure ci-dessous.

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Le catalogue des systèmes planétaires a réservé beaucoup de surprises aux astronomes. Par exemple, la plupart d'entre eux s'attendaient à ne pas rencontrer de planètes autour d'étoiles multiples, à cause des instabilités gravitationnelles que de telless configurations induisent. Mais on sait maintenant qu'il existe des planètes en orbite autour d'étoiles doubles ou mêmes triples. On peut rencontrer des planètes gravitant autour de deux étoiles d'un couple serré (exoplanètes circumbinaires), à l'image de Kepler-16 b, une planète  orbitant autour d'un couple d'étoiles observables comme une binaire à éclipses, situé dans le Cygneà 250 années-lumière, et que des astronomes facétieux ont surnommée Tatouine, en référence à Starwars. A l'extrême opposé, il existe des planètes qui peuvent orbiter autour de l'une des étoiles d'un vaste système d'étoiles multiples sans interférence majeure des autres composantes. C'est le cas, par exemple, de l'exoplanète la plus proche connue (4,2 années-lumière), découverte en 2016 autour de Proxima Centauri, et qui est membre d'un système triple dans le Centaure.
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Une autre avancée inattendue a été la découverte de possibles systèmes planétaires se formant autour d'étoiles vieillissantes (géantes rouges), comme on en connaît un exemple dans l'amas ouvert NGC 2423, dans la Poupe, ou mortes (naines blanches). Ces planètes peuvent avoir survécu à l'évolution finale de leur étoile hôte; elles peuvent aussi s'être formées non en même temps que leur étoile, mais tardivement, à partir du matériau éjecté par les étoiles à la fin de leur vie. Ce dernier cas semble attesté, par exemple, par la découverte, en 2021, autour d'une naine blanche (WD 1054-226), située à 117 années-lumière de nous dans la constellation de la Coupe, d'un anneau protoplanétaire dans lequel orbitent des débris de la taille de la Lune (65, uniformément espacés et accomplissant leur révolution orbitale en 25 heures). Cela suggère l'existence autour de cette naine blanche d'une planète déjà formée, dont les interactions gravitationnelles, et des phénomènes de résonnance qui en seraient la conséquence, expliqueraient la régularité de l'espacement des débris. 
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Ajoutons qu'un chronométrage très précis des variations dans la période de pulsars milliseconde a aussi permis de déduire l'existence d'objets identifiables à des planètes en orbite autour de ces objets qui sont des reliquats (étoiles à neutrons) d'anciennes supernovae. (Remarquons au passage, que la découverte des premières planètes de pulsars date de 1993, et précède donc de deux ans la découverte des exoplanètes gravitant autour d'étoiles de la séquence principale, mais le caractère très spécial de ces systèmes et la méthode particulière de détection justifient qu'on les considère habituellement dans un cadre distinct).

A la date de la rédaction initiale de cette page (2022), les astronomes connaissaient 4933 exoplanètes confirmées, réparties dans 3704 systèmes planétaires; 808 de ces systèmes possèdent plus d'une planète. En juin 2026, on en comptait plus de 8000.  Beaucoup n'ont que deux planètes connues, mais quelques-uns en possèdent jusqu'à cinq, et un système en a huit. Le plus souvent, ce sont des systèmes très compacts avec la plupart de leurs planètes plus proches de leur étoile que Mercure ne l'est du Soleil. 

Exoplanètes habitables.
L'existence d'exoplanètes semblables à la Terre incite à se demander s'il existe, parmi elles, des planètes capables d'abriter elles aussi des organismes vivants. A ce jour, les astronomes ne savent pas exactement quelles propriétés définiraient une autre Terre. Avons-nous besoin de trouver une planète qui soit exactement de la même taille et de la même masse que la nôtre? Cela peut être difficile et peut ne pas être important du point de vue de l'habitabilité. Après tout, on n'a aucune raison de penser que des organismes vivants ne seraient pas développés sur Terre si notre planète avait été un peu plus petite ou plus grande. 

En principe, l'habitabilité d'une planète dépend à la fois de sa distance à son étoile (l'énergie reçue de cette étoile définissant ce qu'on appelle sa « zone habitable ») et de la nature de son atmosphère. L'effet de serre peut rendre certaines planètes plus chaudes (comme il l'a fait pour Vénus et le fait de plus en plus pour la Terre). La situation est en réalité très complexe, et il n'est même pas exclu que certaines planètes orphelines, malgré l'absence d'une étoile dans leur voisinage, puissent réunir les conditions d'habitabilité. (La science-fiction a depuis longtemps imaginé le cas où des civilisations extraterrestres utiliseraient de telles planètes vagabondes comme des vaisseaux spatiaux pour explorer la Galaxie...).

On admet généralement qu'un des conditions à remplir pour qu'une planète abrite des organismes vivants est qu'elle permette la présence d'eau liquide à sa surface. Mais il faut aussi prendre ici en compte la dimension temporelle : les organismes vivants, aussi bien que les planètes s'inscrivent dans des processus évolutifs. Les conditions d'apparition d'organismes vivants ne sont sont pas nécessairement les mêmes que celles qui sont nécessaire à leur évolution sur le long terme.
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La recherche de mondes potentiellement habitables est devenu l'une motivations de la recherche sur les exoplanètes. Parmi les approches les plus prometteuse est la recherche de signes de vie sur des mondes lointains en examinant leurs atmosphères pour les gaz associés à la vie. L'oxygène, par exemple, se fixe très rapidement (oxydation). La présence significative d'oxygène dans une atmosphère signifierait l'existence d'un mécanisme continu de production de cet oxygène. Sur Terre, ce mécanisme de renouvellement permanent de l'oxygène libre est biologique, c'est la photosynthèse. La présence d'oxygène dans l'atmosphère d'une exoplanète traduit-elle la présence sur celle-ci d'organismes photosyntétiques? Pas forcément, mais le cas échéant, la question mériterait d'être examinée de très près.

La formation des systèmes planétaires

On sait que les planètes sont, en règle générale, des sous-produits de la formation des étoiles, et que presque toutes les étoiles s'entourent de planètes à leur naissance. Faut-il alors supposer que les toutes premières planètes remontent à la formation des toutes premières étoiles (c'est-à-dire, au final, très tôt dans l'histoire de l'expansion cosmique)? On peut d'ores et déjà repondre que ce n'est pas le cas. Le big bang a synthétisé les éléments chimiques à partir desquels se forment les étoiles, mais pas ceux qui constituent les poussières à partir desquelles se construisent les planètes. Ces éléments sont produits par les étoiles. Il a donc fallu qu'une première génération d'étoiles apparaisse et évolue pour que la matière première nécessaire à la formation des planètes soit disponible, et même que plusieurs génrations d'étoiles se succèdent pour que cette matière soit disponible en quantité suffisante. Reste à savoir combien de temps il a fallu après la formation des premières étoiles pour que se forment les premières planètes. 

Une première réponse à cette question a été apportée par la découverte du système planétaire qui entoure l'étoile Kepler-444, au Nord-Est de la constellation de la Lyre. Il s'agit d'un système compact de cinq planètes, la plus petite comparable en taille à Mercure et la plus grande de taille similaire à Vénus. Les cinq planètes orbitent autour de leur étoile en moins de temps qu'il faut à Mercure pour effectuer une orbite autour du Soleil. Remarquablement, Kepler-444 a plus de 11 milliards d'années et s'est formée lorsque la Voie lactée n'avait que 2 milliards d'années. Ainsi, les éléments les plus lourds nécessaires à la fabrication des planètes rocheuses devaient-ils déjà être disponibles à l'époque. Si donc, on ne sait toujours pas dire de quand datent les toutes premières planètes, au moins cet exemple montre-t-il que le début de la formation des planètes rocheuses a été très précoce, et qu'il a suivi de peu la formation de notre Galaxie.

Les observations montrent que presque toutes les très jeunes protoétoiles ont des disques et que la taille des disques varie de 10 à 1000 UA (= unités astronomiques). À titre de comparaison, le diamètre moyen de l'orbite de Pluton, qui peut être considéré comme la taille approximative de notre propre système planétaire, est de 80 UA, tandis que le diamètre extérieur de la ceinture de Kuiper des corps glacés plus petits est d'environ 100 UA. Le contenu dans ces disques est généralement de 1 à 10 % de la masse de notre propre Soleil, ce qui est plus que la masse de toutes les planètes de notre Système solaire réunies. Il apparaît dès lors qu'une grande partie des étoiles commencent leur vie en conservant dans leur voisinage immédiat suffisamment de matière pour former un système planétaire.
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Le disque protoplanétaire de Bêta Pictoris (Peintre) et sa première planète (b) découverte. - Ce disque, vu par la tranche depuis la Terre, est le premier à avoir été observé: il entoure une étoile vieille de moins de vingt millions d'années. Sa découverte date de 1984. En 2008, une première planète (Bêta Pic b, un super-Jupiter), visible sur l'image, a été découverte par imagerie directe très près de l'étoile. La découverte par la méthode des vitesses radiales d'une autre planète (Bêta Pic c) a été annoncée en 2019. Il s'agit d'un autre super-Jupiter, mais circulant sur une orbite plus grande.

Le moment de la formation et de la croissance des planètes.
Les observations de la façon dont les disques changent avec le temps permettent d'estimer combien de temps il faut pour que les planètes se forment. 

• Si l'on mesure la température et la luminosité d'une protoétoile, alors il est possible de la placer dans un diagramme HR. En comparant la vraie étoile avec les modèles décrivant la façon dont les protoétoiles devraient évoluer avec le temps, on peut estimer son âge. Il est alors possible de comprendre comment les disques que nous observons changent avec l'âge des étoiles qu'ils entourent.

Les calculs montrent que la formation d'une ou plusieurs planètes pourrait se produire à proximité de l'étoile, probablement en raison de l'accrétion de matière à partir du disque. Au fur et à mesure que la planète grandit en masse, le processus vide de ses poussières la région qui l'entoure. Toutes les petites particules de poussière et de gaz qui se trouvaient initialement dans la région entre la protoétoile et la planète, et qui ne sont pas balayées par la planète, tomberont ensuite très rapidement sur l'étoile en quelques dizaines de milliers d'années seulement. La matière se trouvant au-delà de l'orbite de la planète, en revanche, est empêchée de pénétrer dans le trou par les forces gravitationnelles exercées par la planète.

L'accrétion peut entraîner la croissance rapide des planètes. De petites particules de la taille d'un grain de poussière en orbite dans le disque en collision se collent les unes aux autres, les plus grandes accumulations s'accroissant plus rapidement à mesure qu'elles attirent et capturent les plus petites. Une fois que ces grumeaux atteignent une taille d'environ 10 centimètres, elles entrent dans une phase périlleuse de leur développement. À cette taille, à moins de pouvoir atteindre plus de 100 mètres de diamètre, ces objets, nommés à ce stade planétésimaux,  sont soumis à des forces de traînée produites par le frottement avec le gaz dans le disque et leurs orbites peuvent se désintégrer rapidement, les plongeant dans l'étoile hôte. Par conséquent, ils doivent rapidement atteindre près d'un kilomètre de diamètre pour éviter un destin funeste.  Une fois qu'ils auront atteint ces tailles, les plus grands de ces planétésimaux continueront de croître en accroissant des planétésimaux plus petits; au final, ce processus aboutit, en 3 à 10 millions d'années, à la formation de planètes proprement dites. 

Si la croissance des planètes les mène à dépasser une masse supérieure à environ 10 fois la masse de la Terre, leur champ de gravitation est suffisamment fort pour capturer et retenir l'hydrogène gazeux qui reste dans le disque. À ce stade, leur masse et leur rayon augmenteront rapidement, atteignant des dimensions de planètes géantes. Cependant, pour ce faire, il faut que l'étoile centrale en évolution rapide n'ait pas encore chassé le gaz dans le disque avec son vent stellaire de plus en plus vigoureux. La possibilité de disparition complète du disque dans les dix millions d'années montre que la croissance d'une planète géante est également un processus très rapide.

L'évolution tardive des disques.
La poussière autour des étoiles nouvellement formées est progressivement soit incorporée dans les planètes en croissance, soit éjectée dans l'espace par des interactions gravitationnelles avec les planètes. La poussière disparaîtra après environ 30 millions d'années à moins que le disque ne soit continuellement alimenté en nouveau matériau. Au fur et à mesure que les corps de la taille d'une planète grandissent, ils perturbent les orbites d'objets plus petits dans la région. Ces petits corps (noyaux cométaires, astéroïdes) entrent en collision à grande vitesse, se brisent et produisent de minuscules particules de poussière de silicate et de glace qui peuvent alimenter le disque en débris de ces collisions.

Sur plusieurs centaines de millions d'années, les comètes et les astéroïdes seront progressivement réduits en nombre,  l'apport de poussières fraîches diminuera en même temps que diminuera la fréquence des collisions. Ainsi, a-t-on pu calculer, le bombardement intensif du Système solaire primitif a pris fin lorsque le Soleil n'avait que 500 millions d'années environ. Les observations montrent que les « disques de débris » poussiéreux autour des étoiles deviennent également largement indétectables au moment où les étoiles atteignent un âge de 400 à 500 millions d'années. Il est probable, cependant, qu'une petite quantité de matériel cométaire reste alors en orbite, formant des analogues à notre ceinture de Kuiper.

Comment faire un Jupiter chaud.
Tant que les astronomes n'ont disposé que d'un seul exemple de système planétaire, ils ont pu supposer que, partout, les planètes, comme dans le Système solaire, devaient se former à peu près à la distance de leur étoile à laquelle elles resteront tout au long de leur existence. Dans le modèle traditionnel, les planètes géantes doivent se former et rester dans une région éloignée de leur étoile (environ 5 à 10 UA).  A cette distance, le disque est suffisamment froid pour renfermer une densité de matière solide assez élevée. La première étape de la formation d'une planète géante consiste ainsi simplement à construire un noyau solide, ce qui se produit lorsque les planétésimaux entrent en collision et se collent. Dans un deuxième temps, quand ce noyau devient suffisamment massif, il peut commencer à balayer la matière gazeuse dans le disque, construisant ainsi les géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne.

La découverte de Jupiters chauds, entendons des planètes géantes orbitant  très près de leurs étoiles où toute matière première rocheuse serait complètement vaporisée, pose un problème au modèle traditionnel. Ce modèle ne peut pas  non plus expliquer les orbites elliptiques observées pour certaines exoplanètes car l'orbite d'une protoplanète, quelle que soit sa forme initiale, doit devenir rapidement circulaire par interactions avec le disque de matière environnant. 

Deux options se présentées alors : il faut, soit élaborer un nouveau modèle capable d'expliquer la formation des planètes très près de leur étéoile hôte, dans une zone où règne une chaleur torride,  soit admettre qu'il existe un moyen de modifier suffisemment les orbites des planètes géantes afin que les Jupiters froids puissent se déplacer vers l'intérieur après leur formation. La plupart des recherches favorisent maintenant cette deuxième explication. Deux scénarios sont envisageables : 

• Si une planète se forme tandis qu'une quantité substantielle de gaz reste dans le disque, alors une partie du moment angulaire orbital de la planète peut être transférée au disque. Au fur et à mesure qu'elle perd de son élan (par un processus qui rappelle les effets de la friction), la planète va tourner en spirale vers l'intérieur. Ce processus peut transporter des planètes géantes, initialement formées dans des régions froides du disque, plus près de l'étoile centrale, produisant ainsi des Jupiters chauds. 

• Les interactions gravitationnelles entre les planètes du système planétaire précoce chaotique peuvent également amener les planètes à se projeter vers l'intérieur à de grandes distances. Mais pour que cela fonctionne, l'autre planète doit emporter le moment angulaire et passer à une orbite plus distante.

Migrations de planètes dans le Système solaire.
Il existe des indications laissant penser que notre propre Système solaire a pu être le siège, dans ses régions externes, de migrations des planètes géantes : Jupiter a peut-être migré sur une orbite plus petite, il y a longtemps. Quant à Uranus et Neptune, ils ne se sont probablement pas formés à leurs distances actuelles du Soleil, mais plutôt plus près de l'endroit où se trouvent actuellement Jupiter et Saturne, avant d'être expulsées sur de plus grandes distances par le biais d'interactions gravitationnelles avec leurs deux autres voisines géantes.

Si des planètes comme les planètes géantes ont pu voir leur orbite aussi radicalement modifiée, on peut bien imaginer que des planètes beaucoup moins massives, comme les planètes analogues à la Terre, ont pu aussi voir leur orbite fortement modifiée. Dans notre Système solaire, il n'existe aujourd'hui aucune planète rocheuse circulant à l'intérieur de l'orbite de Mercure, mais dans d'autres systèmes, de nombreuses planètes rocheuses circulent autour de leur étoile bien plus près - on en a déjà vu un exemple plus haut avec le système de Kepler-444. Se pourrait-il que notre Système solaire ait été très différent à son origine, et que dans les premiers temps il ait renfermé d'autres planètes rocheuses? Si la réponse est positive, une explication de leur disparition est disponible : les perturbations gravitationnelles de Jupiter auraient pu déloger les orbites des planètes rocheuses proches, les faisant tomber dans le Soleil.

Les exoplanètes dans la science-fiction

Les planètes habitables de type terrestre dominent largement. Elles présentent une pesanteur, une atmosphère et des conditions climatiques proches de celles de la Terre, ce qui facilite l'installation d'humains ou d'espèces humanoïdes.  Dans la série télévisée Star Trek (à partir de 1966), par exemple, de nombreuses planètes visitées appartiennent à cette catégorie; même chose pour les planètes visitées dans la série Stargate SG1 (1997-2007), dont beaucoup ressemblent étrangement aux environs de Vancouver (lieu de tournage oblige...). De nombreux auteurs optent même pour des planètes à biome unique ou à fonction allégorique, simplifiant volontairement la complexité écologique au service d'un propos philosophique, moral ou satirique, (comme Mustafar, la planète de lave de Star Wars, volcanisme purificateur symbolisant la chute morale et la renaissance destructive), réduisant l'astre à un espace symbolique où se jouent des expérimentations sociales (Le Guin) ou des dilemmes éthiques purs (Star Trek) ou simplement l'action : planète jardin, planète océan, planète désert, planète jungle, planète glaciaire, etc.

Les mondes jardin constituent la première catégorie récurrente : des analogues terrestres aux climats tempérés, à la biosphère foisonnante et à l'atmosphère respirable, servent généralement de nouveaux Édens, de refuges post-catastrophiques ou de miroils critiques permettant d'interroger notre rapport à la nature et à la colonisation. Exemple, la planète Naboo de Star Wars.

L'un des archétypes les plus féconds est la planète-océan, où les surfaces émergées sont inexistantes ou réduites à de rares archipels. L'océan pensant de Solaris (StanisÅ‚aw Lem, 1961) imite les pensées des visiteurs par des architectures gélatineuses, tandis que la planète Miller dans Interstellar (2014) déroule une nappe d'eau peu profonde parcourue de montagnes de marée gigantesques. Kamino, dans Star Wars, épisode II (L'Attaque des clones, 2002), noyée sous des pluies perpétuelles, abrite des cités sur pilotis, et Thalassa dans Les Chants de la Terre lointaine (1986) d'Arthur C. Clarke offre une mer tiède et accueillante à l'humanité en exil. 

À l'opposé, le monde désertique incarne la rareté absolue de l'eau. Arrakis, dans Dune (1965) de Frank Herbert, est le modèle canonique : ergs brûlants, vers des sables géants et une civilisation Fremen entièrement adaptée à l'économie de l'humidité. Tatooine (plusieurs Star Wars) est son pendant pulp aux deux soleils, peuplée de fermes d'évaporation. Barsoom, la Mars mourante d'Edgar Rice Burroughs dans le Cycle de Mars (1912), a irrigué tout un imaginaire de canaux et de cités antiques dans des étendues ocre. Celle même planète désertique peut aussi se faire cathartique, comme dans We can remember it for  you wholesale (1966, adapté au cinéma sous le titre de Total Recall, 1990 ) de Philip K. Dick, où la croûte martienne cache une atmosphère prisonnière de la glace souterraine. 

À mi-chemin entre l'eau et le désert, la planète-jungle déploie une biodiversité agressive ou symbiotique. Dans Le Mot pour Monde est Forêt (1972) d'Ursula K. Le Guin, la planète Athshe, qui est aussi une planète jardin et un  miroir écologique dénonçant la violence coloniale, est couverte d'arbres sensibles que les humains abattent, déclenchant une révolte.  Sa parente Pandora, dans Avatar (2009) de James Cameron, n'est pas qu'une forêt luxuriante : toute sa flore et sa faune sont interconnectées par un réseau neuronal planétaire, Eywa. Dagobah (plusieurs Star Wars) est un marécage étouffant où Yoda choisit l'exil, la vie y étant autant nourricière que menaçante. Catachan, dans l'univers du jeu de figurines Warhammer 40 000 (1987), pousse la logique jusqu'au cauchemar : une jungle si hostile que chaque forme de vie semble vouloir dévorer les colons. 

Les mondes glaciaires se définissent par une cryosphère permanente, souvent en lisière de l'habitabilité. Gethen, laboratoire social sur le genre et l'adaptabilité humaine, dans La Main gauche de la nuit (1969) d'Ursula K. Le Guin, est surnommé Hiver : un climat rigoureux où les habitants, androgynes la majeure partie de leur cycle, ont développé une culture du repli et de la survie. Hoth, la sixième planète du système du même nom dans Star Wars Episode V (L'Empire contre-attaque, 1980) est un bloc de neige et de glace qui sert de base rebelle, balayé par des blizzards peuplés de wampas. La nouvelle Un seau d'air (1951) de Fritz Leiber imagine une Terre arrachée à son étoile, devenue une boule de glace autour de laquelle une famille survit en puisant l'air gelé par plaques. 

Voisins des glaces, les astres à atmosphère toxique ou à pression infernale conservent une vie radicalement étrangère. Vénus a longtemps servi de support aux récits de terraformation ou de colonisation sous dôme, avant que la réalité de sa fournaise au dioxyde de carbone ne détourne les auteurs vers des modèles exoplanétaires.  Dans Alien, le huitième passager (1979), par exemple, la lune LV-426 présente un environnement dangereux et désolé. Plusieurs autres planètes de la franchise Alien illustrent cette catégorie. Difficilement vivable également, la planète de Pitch Black (2000, épisode des Chroniques de Riddick) alterne une canicule mortelle le jour et une obscurité où pullulent des prédateurs photosensibles. Dans Question de poids (1953) de Hal Clement, Mesklin est une planète supermassive à la rotation si rapide qu'elle a la forme d'une soucoupe; sa pesanteur varie de 3 g à l'équateur à plus de 200 g aux pôles, ce qui donne naissance à une faune en limande adaptée aux écrasements.

Un autre grand motif est celui des systèmes stellaires multiples, où les configurations orbitales dictent des rythmes inédits. Tatooine, déjà citée, orbite autour d'une étoile binaire, offrant de célèbres couchers de soleil doubles. Trisolaris, dans la trilogie de Liu Cixin, Le Problème à trois corps (2008-2010)  tourne dans un système chaotique à trois étoiles, soumettant sa civilisation à des ères stables imprévisibles et à des apocalypses climatiques cycliques. Dans Le Retour des ténèbres (1991) d'Isaac Asimov et Robert Silverberg, le monde de Lagash (ou Kalgash), baigné par six soleils, ne connaît la nuit qu'une fois tous les deux millénaires, révélant alors un ciel empli d'étoiles qui rend l'humanité folle.

La temporalité elle-même peut varier de façon spectaculaire. Le cas limite est fourni par la planète Miller dans Interstellar : située à l'extrême limite de l'ergosphère d'un trou noir, chaque heure à sa surface correspond à sept années dans le reste de l'univers. C'est une exoplanète à dilatation temporelle qui transforme l'exploration en déchirure affective. Plus largement, les planètes cycliques à grande échelle, comme Helliconia de la trilogie (1982-1985) de Brian Aldiss, connaissent des saisons de plusieurs siècles dictées par un ballet binaire, obligeant les civilisations à s'éteindre et renaître en phase avec le climat. Game of Thrones (1996-2011), bien qu'appartenant  à la fantasy plutôt qu'à la SF, exploite aussi les possibilités offertes par l'allongement démesuré des saisons.

La frontière entre vie et planète s'estompe dans le type du monde vivant. L'océan de Solaris, mentionné plu haut, dans Solaris de Stanislaw Lem, possède une intelligence matérielle capable de matérialiser les souvenirs. Dans l'univers Marvel Comics, Ego est une planète douée de conscience et capable de se déplacer. Mogo, chez DC Comics, est une autre planète vivante, personnage de l'univers Green Lantern. Eywa, sur Pandora, représente une conscience planétaire réticulaire, pas entièrement surnaturelle mais émergée d'une forêt neurale. La mer de sable d'Arrakis (Dune), en un sens, agit comme un macro-organisme dont les vers géants seraient les organes, entretenant un cycle de l'épice.

Le vivant peut aussi s'affranchir du carbone dans des exoplanètes à biochimie exotique. Dans L'Oeuf du Dragon (1980) de Robert Forward, la vie se développe à la surface d'une étoile à neutrons, avec une chimie nucléaire accélérée : les créatures, minuscules et éphémères, voient les humains comme des entités incroyablement lentes. Janus VI, dans Star Trek (épisode Les mines de Horta, 1967),  abrite la Horta, une forme de vie basée sur le silicium qui creuse la roche comme d'autres respirent. Les Xénomorphes ( = les Aliens) de la saga Alien, avec leur sang acide et leur cycle parasitoïde, supposent une planète d'origine à l'écologie radicalement étrangère, bien que le film laisse planer le mystère.

De nombreux récits décrivent des astres artificiels ou profondément altérés par l'ingénierie, comme les écumenopoles recouvrant intégralement la croûte, les anneaux mondiaux, les sphères de Dyson partielles ou les planètes terraformées depuis des millénaires, brouillant la frontière entre naturel et technologique pour questionner les limites de la maîtrise humaine et les conséquences d'un anthropocène étendu à l'échelle stellaire. 

Trantor, dans le cycle de Fondation d'Asimov, est une planète-capitale intégralement couverte de dômes métalliques, où quarante milliards d'habitants ne voient jamais le ciel. Coruscant (Star Wars) en est l'héritière visuelle : une ecumenopolis de tours vertigineuses structurée en niveaux, du luxe des strates supérieures aux bas-fonds interlopes. Holy Terra dans l'univers ludique de Warhammer 40 000 pousse cette logique au cauchemar gothique, une mégalopole sacrée et carcérale où l'atmosphère même est remplacée par des volutes d'encens et de pollution. Citons encore les Mars progressivement terraformées de la trilogie de Mars (1994-1996) de Kim Stanley Robinson, où l'ingénierie planétaire devient le sujet central d'un récit sur la responsabilité écologique et politique, ou encore 

Les mondes industriels ou miniers,exploités intensivement pour leurs ressources naturelles, illustrent souvent les conséquences environnementales de l'industrialisation. La planète Lothal dans certains épisodes  de la série Star Wars Rebels (2014-2018), ou plusieurs colonies de l'univers des jeux vidéo Mass Effect (depuis 2007) relèvent de cette catégorie. Dans la série Doctor Who (depuis 1963), plusieurs mondes artificiels peuvent être rangés sous cette rubrique, de laquelle on peut rapprocher celle des planètes prison, colonies pénitentiaires ou mondes d'exil, qui sont utilisées pour isoler des populations considérées comme dangereuses ou indésirables. La planète Fiorina 161 dans Alien 3 (1992) est un exemple de colonie carcérale. Dans de nombreux autres univers dystopiques, des mondes entiers sont réservés à cette fonction. 

Certaines planètes défient la définition classique d'une sphère rocheuse. Le cycle de L'Anneau-Monde de Larry Niven décrit un artefact en forme d'anneau entourant une étoile, dont la face intérieure recrée des continents et des mers, un million de fois la surface de la Terre. Les Orbitaux du cycle de la Culture d'Iain M. Banks sont des anneaux plus modestes, suspendus comme des bijoux et offrant des environnements sur mesure. La Sphère imaginée par Olaf Stapledon dans Créateur d'étoiles (1937), et qui servira de modèle la Sphère de Dyson, va jusqu'à encapsuler une étoile pour en capter toute l'énergie; le roman Orbitsville (1975) de Bob Shaw décrit aussi un tel artefact habité sur sa face interne. D'autres déclinaisons de ce concept se trouvent dans les structures en essaim orbitant, comme les Halo de l'univers éponyme de la série de jeux vidéos, sont des anneaux habitables disséminés dans la galaxie, mêlant fonction militaire et simulation d'écosystèmes.

À l'inverse, la planète errante rejette la tutelle d'un soleil. Dans Dark Eden (2012) de Chris Beckett, une petite communauté humaine survit sur un monde vagabond, éclairée et chauffée par le volcanisme et la géothermie, développant un langage et une mythologie clos. L'astéroïde B-612 du Petit Prince (1943) de Saint-Exupéry, bien qu'à peine planétaire, cristallise l'imaginaire du micro-monde solitaire avec ses trois volcans et sa rose. Le film Melancholia de Lars von Trier inverse la perspective en montrant l'arrivée d'une exoplanète bleue, annonciatrice de la fin, et dotée d'une beauté hypnotique.

Les mondes souterrains et les planètes creuses forment un dernier groupe notable. Le modèle classique est Pellucidar d'Edgar Rice Burroughs (Cycle de Pellucidar, 1914-1944), une Terre interne éclairée par un soleil central miniature, où les dinosaures côtoient des civilisations primitives. Dans Interstellar, la planète du Dr. Mann est un désert de glace où la mission se réfugie dans des bases enfouies. La série The Expanse (série de romans, 2011-2022, de  James S. A. Corey et série TV, 2015-2022) imagine Ilus IV, une exoplanète couverte d'anciennes structures alien enfouies, où la colonie doit composer avec une biosphère réveillée. Et Le Guide du voyageur galactique (1978, et diverses adaptations) de Douglas Adams, avec son humour absurde, construit Magrathea, une planète-atelier souterraine où l'on fabriquait jadis des mondes sur mesure, plaçant ainsi la typologie planétaire elle-même au rang de marchandise.

Claude Bertout, Naissance et évolution des systèmes planétaires, Champs Flammarion, 2005. - En 1995, les astronomes ont commencé à détecter des embryons de systèmes planétaires et des planètes en orbite autour d'étoiles semblables au Soleil. Depuis, les astrophysiciens s'emploient à en déchiffrer la genèse et à en simuler l'évolution à l'aide de leurs ordinateurs. En quelques années, le nombre et la diversité des systèmes planétaires n'ont cessé de croître. Ce livre présente les avancées spectaculaires que ces découvertes ont entraînées. Nous sommes aujourd'hui en mesure de savoir où et comment naissent les systèmes planétaires, et comment ils évoluent; comment des planètes comme la Terre peuvent se constituer à partir d'infimes particules de poussière dispersées dans un immense nuage interstellaire; comment, aussi, certaines nébuleuses sont destinées à se développer pour devenir peut-être des systèmes solaires comparables au nôtre, où des formes de vie peuvent émerger. La route vers d'autres Terres est ouverte (couv.).