PLANÉTOLOGIE

PLANÉTOLOGIE
La planétologie est par essence un domaine fortement interdisciplinaire qui repose sur les
communautés de l’Astronomie-Astrophysique (AA) et des Sciences de la Terre (ST). Environ 230
chercheurs, enseignants-chercheurs et astronomes en France consacrent au moins une partie de leur
recherche à la planétologie (une centaine à temps plein). Le PNP joue un rôle important dans la
structuration de cette communauté.
1. Forces et faiblesses de la planétologie française
Forces : Une enquête menée par le PNP en 2006 concluait que la recherche française en planétologie
occupait une place de leader en Europe et, rapportée au nombre d’habitants, apparaissait plus active
que la recherche allemande ou britannique. Cette enquête utilisait plusieurs indicateurs comme les
publications dans deux revues dominantes de la discipline, la participation à des conférences
internationales majeures, et l’implication des équipes françaises dans des missions phare de l’ESA
(Mars Express, Venus Express, Rosetta et Cassini/Huygens). Plus récemment, il faut souligner le
succès impressionnant des équipes françaises qui ont répondu à l’appel d’offres Cosmic Vision de
l’ESA puisque les trois missions planétaires retenues pour étude (EJSM, TSSM, Marco Polo) ainsi que
PLATO, qui a des objectifs exoplanétaires, ont toutes un PI français. On peut aussi noter que
EuroPlanet, programme fédérateur de la planétologie européenne, a été initié et est présidé par un
chercheur français. Enfin, les trois seuls lauréats non américains du prestigieux « Urey Prize » du
DPS/AAS sont français. La communauté possède une expertise reconnue en de nombreux domaines ;
un point fort est que les équipes issues de l’astronomie et des sciences de la Terre sont hébergées au
sein d’une même structure, le PNP.
Faiblesses : Les forces sont insuffisantes dans certains domaines, notamment pour l’exploitation
simultanée des missions Cassini, Mars Express et Venus Express. Le problème risque de persister
avec l’arrivée prochaine des missions Rosetta, Bepi Colombo, Mars Science Laboratory, ExoMars et
Phobos-Grunt dans lesquelles la France est très impliquée. On peut aussi noter un besoin de
structuration plus forte dans certains domaines comme la modélisation des systèmes exoplanétaires et
une implication des planétologues du système solaire dans l’exoplanétologie à encourager. Le renfort
de nouvelles équipes venues des sciences de la Terre est souhaitable pour interpréter au mieux les
données des sondes spatiales sur Mars, Vénus et Titan (surfaces, intérieurs, interactions surface /
atmosphère, atmosphère / magnétosphère). Enfin, la communauté est en retard dans la mise en place
de centres de données planétaires.
2. Faits marquants (2004-2009)
Exoplanètes. Depuis 2004, la communauté française a été très active dans le domaine de la recherche
des exoplanètes, avec la première détection directe d'une exoplanète par optique adaptative avec VLT-
NACO et la première détection d'une planète tellurique (de 5 masses terrestres) par la méthode des
micro-lentilles gravitationnelles. Les spectrographes HARPS et SOPHIE ont permis la détection de
nombreuses exoplanètes par la méthode des vitesses radiales dont certaines en transit devant leur étoile
et plusieurs de masse « neptunienne ». Le satellite CoRot a permis la découverte d’une « Super-
Terre » très près de son étoile, la plus petite planète jamais caractérisée avec un rayon de 1,7 fois celui
de la Terre. On citera enfin des travaux de simulations hydrodynamiques qui permettent de reproduire
les excentricités observées pour les couples de planètes résonnantes.
Le système solaire précoce. Un résultat théorique important a été la construction d'un modèle
dynamique cohérent de l'origine du grand bombardement tardif de la Lune. Ce modèle, qui s’appuie
sur des simulations numériques, prédit la déstabilisation du système solaire externe par les planètes
géantes plusieurs centaines de millions d'années après le début de l'histoire du système solaire. Cette
déstabilisation a causé l'injection dans la zone des planètes terrestres de planétésimaux glacés
provenant de la ceinture de Kuiper et explique les orbites actuelles des planètes géantes et des Troyens
de Jupiter. D’autres travaux sur la dynamique de Jupiter et Saturne dans le disque protoplanétaire

gazeux permettent d’expliquer l’absence d’un Jupiter chaud dans notre système solaire. Enfin, des
progrès importants ont été accomplis sur les mécanismes qui auraient pu empêcher la perte des noyaux
des planètes géantes dans le Soleil lors de leur migration au sein du disque de gaz protoplanétaire.
Le système de Saturne. Le 14 janvier 2005, la sonde Huygens atterrissait sur la surface de Titan, après
une descente de deux heures et demie pendant
laquelle ont été obtenues des données uniques qui
nous ont révélé un monde façonné par des processus
géophysiques et météorologiques assez semblables à
ceux se déroulant sur Terre mais avec des acteurs
chimiques différents. La communauté française est
très impliquée dans cette mission avec des co-Is
dans cinq des six instruments de la sonde (dont un
PI). En orbite autour de Saturne depuis juillet 2004,
la sonde Cassini explore la planète, son
environnement et ses satellites au moins jusqu’en
2010. Des résultats remarquables ont été obtenus
par les différents instruments auxquels participent
des équipes françaises : cartographie de la
température et de la composition chimique de
Saturne et Titan, mise en évidence d’une source
interne et d’une atmosphère sur Encelade,
découverte de lacs d’hydrocarbures et d’un
cryovolcanisme sur Titan, étude détaillée des
anneaux de Saturne et de sa magnétosphère, etc.
Vénus. La sonde Venus Express est en orbite autour de Vénus depuis le 11 avril 2006. La suite
d’instruments à bord a déjà produit de nombreux résultats (plus de 40 articles au total). Parmi les plus
marquants on notera les observations de : (i), la surface, via l’émission thermique dans les fenêtres du
proche infrarouge, avec des mesures d’anomalie d’émissivité liée à l’âge ou la nature des zones
concernées, (ii) l’atmosphère profonde avec les mesures combinées de chimie/dynamique traçant
l’activité de la cellule de Hadley de l’équateur à ~60° de latitude, (iii) la dynamique globale et locale
(dans la morphologie du vortex polaire sud en particulier), (iv) la chimie et la dynamique de la haute
atmosphère (nouvelles détections de OH ou NO en infrarouge, premières mesures systématiques
globales sur O2 , etc.), (v) l’interaction avec le vent solaire et la détection d’orages dans l’atmosphère
de Vénus par leur signature radio (ondes whistlers).
Mars. La sonde Mars Express, en orbite autour de Mars, cartographie la planète depuis plus de cinq
ans. Des scientifiques français sont présents dans les équipes des sept expériences embarquées. Le
spectro-imageur infrarouge OMEGA (PI
français) a détecté la présence, à la surface
martienne, de deux types de minéraux hydratés,
des phyllosilicates et des sulfates, mais aucune
trace de carbonates. Ces observations semblent
indiquer l’absence d’étendues d’eau pérennes au
cours des derniers trois milliards d’années mais
révèlent, au début de son histoire, une période
climatique humide avec de grandes quantités
d’eau à la surface, suivie d’un environnement
plus acide. OMEGA a aussi mesuré l'évolution,
au cours des saisons, de la composition des
calottes polaires, ce qui a montré qu'elles sont
surtout composées de glace d'eau et non de
dioxyde de carbone, cette dernière formant une
sorte de vernis à leur surface.
Panorama de la surface de Titan enregistré par l’instrument
DISR à bord de Huygens le 14 janvier 2005. Crédit : ESA /
NASA / Univ. Arizona
Phyllosilicates (en bleu) détectés par l’instrument OMEGA à bord de
Mars Express dans la région de Mawrth Valles. Crédit : ESA /
OMEGA & HRSC teams
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3. Les grandes questions
On peut identifier dans la planétologie trois grands thèmes fédérateurs :
 La formation des systèmes planétaires : comprendre comment, à partir d'une nébuleuse
primitive, les corps primitifs se forment et évoluent vers des corps planétaires
 La structure et l’évolution des corps planétaires : comprendre l'évolution des corps planétaires
après leur formation et étudier leur structure actuelle (intérieurs, surfaces et enveloppes
fluides) dans le cadre de la planétologie comparée
 Les environnements planétaires primitifs : explorer et comprendre l'environnement dans
lequel l'activité biologique s'est développée sur Terre ; caractériser l'environnement primitif de
Mars
On notera que ces thèmes relèvent de deux des quatre grands chapitres de la « Science Vision »
d’ASTRONET : « What is the origin of stars and planets? » et « How do we fit in? ».
Les champs d’étude qui s’inscrivent dans le premier thème Formation des systèmes planétaires sont :
 La composition de la nébuleuse protosolaire : étude de la matière primitive, processus précoces,
chronologie de la formation des solides
 Les corps peu évolués du système solaire (comètes, objets trans-neptuniens, astéroïdes
carbonés)
 La formation des planètes et la dynamique du système solaire jeune
 Les planètes extrasolaires : détection et caractérisation, processus de formation et d’évolution
 Les disques protoplanétaires et planétaires
Le thème Structure et évolution des corps planétaires couvre les domaines :
 Chimie et dynamique des atmosphères planétaires : couplages chimie-dynamique-rayonnement-
magnétosphère, évolution des atmosphères
 Surfaces planétaires : géomorphologie, tectonique, interactions surface-atmosphère
 Structure interne des corps planétaires : évolution interne, différenciation, convection, origine et
formation des dynamos planétaires
 Structure et dynamique des magnétosphères
Enfin, le troisième thème Environnements planétaires primitifs s’intéresse aux questions suivantes :
 Paramètres externes de l'environnement de la Terre primitive et d'autres corps (e.g. Mars) : flux
de matière extraterrestre, rayonnement, protection des surfaces par les atmosphères et
magnétosphères, formation et évolution précoce de l'atmosphère et des océans
 Origine de la stratification géophysique, géochimique et minéralogique de la Terre primitive
(différenciation du noyau, première croûte océanique, etc.)
4. Évolution des thématiques
Quatre thèmes, dans lesquels des évolutions sensibles sont attendues, sont discutés ci-dessous.
 Systèmes planétaires extrasolaires
Le nombre de planètes extrasolaires découvertes (350 à ce jour) ne cesse de croître et il est aujourd'hui
possible de mener des études statistiques afin de contraindre les modèles de formation planétaire. Les
objectifs prévisibles dans ce domaine sont les suivants :
 Vitesses radiales : aujourd’hui, la vélocimétrie permet d’atteindre des planètes de quelques
masses terrestres. L’objectif est maintenant d’accéder au domaine de masse des planètes
telluriques (exoterres), avec comme corollaire de trouver de telles planètes dans la zone
habitable de leur étoile. Il convient aussi d’explorer la diversité des systèmes planétaires, en
particulier en fonction de la masse de l’étoile (e.g. poursuivre l’exploration du domaine des
naines M).

 Imagerie directe : après les premières détections retentissantes, l'arrivée de nouveaux
instruments comme SPHERE devrait permettre une moisson dans ce domaine. Les objets
concernés sont les exoplanètes dans les systèmes jeunes, donc chaudes, et celles à longue
période, plus difficilement accessibles par vélocimétrie, et qui sont aussi la cible des techniques
d’astrométrie (PRIMA) et de microlentilles. Les interféromètres (MATISSE, GRAVITY, VSI)
permettront peut-être d’accéder à de l’imagerie indirecte, mais pour des planètes beaucoup plus
proches de leur étoile et dont l’orbite est déjà connue, et ainsi de déterminer leur masse.
 Transits et modélisation des atmosphères : l’observation spectroscopique des transits fournit des
contraintes uniques sur la structure des atmosphères. C’est un domaine en pleine expansion qui
devrait bénéficier des missions CoRot, Kepler, et plus tard JWST, avec comme objectif la
caractérisation de super-Terres. En parallèle, la modélisation des atmosphères en termes de
circulation générale, structure thermique, photochimie et évolution doit être développée. Les
liens entre les communautés « système solaire » et exoplanétaire doivent continuer à se tisser.
 Formation des systèmes planétaires : sur le plan théorique, il apparaît nécessaire de modéliser la
diversité des évolutions possibles dans le processus de formation de systèmes planétaires, afin
de resituer le système solaire dans ce contexte, e.g. étudier l'universalité d'événements de type
LHB (Late Heavy Bombardment). Un effort de structuration doit être fait sur la phase de
formation des planétésimaux dans les disques protoplanétaires.
La montée en puissance des recherches sur les systèmes exoplanétaires a conduit le PNP à en faire un
thème prioritaire à part entière à compter de cette année.
 Origine du système solaire
Si l'évolution du système solaire après la formation des planètes est relativement bien comprise, les
phases les plus précoces de la formation planétaire demeurent mystérieuses. Trois grandes questions
vont faire l'objet d’efforts de modélisation dans les prochaines années.
 L'accrétion des premiers planétésimaux : Comment des corps solides de plusieurs kilomètres
ont-ils pu se former, en dépit de la difficulté des grains à se coller les uns aux autres et de la
tendance des roches à migrer rapidement vers le soleil par interaction avec le gaz de la
nébuleuse ? Des résultats récents suggèrent que les structures turbulentes du disque protosolaire
pourraient jouer un rôle important. La communauté française, hier en avance sur la question des
interactions entre le gaz turbulent et les particules, doit se réorganiser pour relever le défi et
permettre de mieux comprendre cette phase cruciale de l’histoire de notre système solaire.
 L'accrétion des noyaux des planètes géantes : Il est maintenant clair que la formation des
planètes géantes commence avec la formation d'un noyau massif de glace et de roches.
Cependant, l'accrétion de ce dernier n'est toujours pas correctement reproduite dans les
simulations numériques, la dispersion des planétésimaux voisins limitant la croissance au-delà
d’une masse terrestre. Il convient donc d’explorer de nouveaux mécanismes, sans doute liés à
l'interaction avec le gaz, et comprendre quelle est la taille caractéristique des planétésimaux qui
ont le plus contribué à la formation des noyaux.
 L'arrêt de la croissance des planètes géantes : Qu’est-ce qui limite la masse finale des planètes
géantes alors que les modèles d'accrétion du gaz prédisent que celle-ci accélère
exponentiellement avec le temps ? L'ouverture d'un sillon dans le disque ne devrait limiter la
croissance qu’au-dessus de 5 masses de Jupiter et la disparition du disque, quant à elle, explique
difficilement la présence simultanée de Jupiter et Saturne dont les masses diffèrent
sensiblement. La solution de ce problème passe par une étude plus fine du mécanisme
d'accrétion du gaz, prenant en compte l'évacuation de l'énergie par transfert de rayonnement, la
formation d'un disque circumplanétaire et l'évolution de sa viscosité.
 Surfaces et intérieurs planétaires, interactions surface/atmosphère-exosphère
Cette thématique est actuellement irriguée par les données des sondes Cassini/Huygens, Mars Express
et Venus Express. Un objectif est d’inciter de nouvelles équipes issues de disciplines comme celles
des sciences de la Terre (géophysique, géochimie, minéralogie, géomorphologie, etc.) et des
atmosphères à s’intéresser à ces données via une approche résolument pluridisciplinaire. L’accent doit

aussi être mis sur les efforts de modélisation à la fois théoriques, numériques et expérimentaux en ce
qui concerne les couplages entre la dynamique interne et la dynamique externe et l’étude des
interactions surfaces/atmosphères. Ainsi l’étude de l’évolution de Mars doit prendre en compte les
interactions entre les changements climatiques, le volcanisme, l’arrêt de la dynamo, l’échappement et
l’interaction de l’eau et de l’atmosphère avec la surface.
Les prochaines missions martiennes, ExoMars et Mars Science Laboratory (MSL), dans lesquelles la
France est très impliquée, apporteront des données nouvelles et complémentaires sur les intérieurs
planétaires et l’évolution des surfaces en étroite interaction avec les changements climatiques
planétaires. La mission Bepi Colombo fournira à partir de 2019 des données sur la géologie de
Mercure, son exosphère, sa magnétosphère, et leurs complexes interactions. En outre, il y a clairement
besoin de données précises sur les intérieurs planétaires, ce qui nécessite des réseaux sismiques, en
première priorité sur Mars, mais aussi sur la Lune, suivant les recommandations du colloque de
prospective du CNES.
Enfin, il convient de réfléchir à une meilleure stratégie d’exploitation et de valorisation des données
spatiales, qui passe sans doute par la mise en place de centres de données sur l’imagerie, les champs de
données physico-chimiques et la spectroscopie des solides, et le développement d’outils y afférents.
 Exobiologie
Dans le cadre du PNP, l’exobiologie doit être centrée sur, i) la cosmochimie organique et, ii),
l’exploration planétaire. La cosmochimie organique vise à identifier les molécules et les structures
organiques, à comprendre leurs relations avec l’encaissant minéralogique, à déterminer la nature
chimique des constituants volatils qui leur sont associés et à caractériser les processus liés à leur
formation et évolution. Ces travaux font appel à des techniques analytiques très variées (GCIRMS,
RMN, MET, IR-Synchrotron, XANES, EPR, SIMS, ICPMS, HRMS, Pyrolyse/Dérivatisation-GCMS),
mises en oeuvre par des équipes spécialisées dans des laboratoires dédiés. L’interprétation de leurs
données analytiques permettra peu à peu à ces équipes de formuler des problèmes spécifiques à
l’organosynthèse dans les milieux extraterrestres. D’autre part, plusieurs laboratoires en France sont
spécialisés dans des technologies qui apporteraient beaucoup à la cosmochimie organique. Il s’agit de
la désorption laser couplée à la spectrométrie de masse organique et de l’analyse GC/MS des petites
molécules solubles (M<500 g mol-1) et HPLC/MS pour les plus grosses. Il faudrait encourager ces
laboratoires de chimie du CNRS à participer à l’analyse de la matière organique extraterrestre.
Avec ces dispositifs analytiques, il s’agit avant tout de préparer les missions d’exploration planétaire,
et en particulier l’interprétation des analyses des échantillons qui seront prélevés à la surface de Mars,
de comètes et d’astéroïdes (MSL, ExoMars, Rosetta, Phobos-Grunt et Marco Polo si elle est
sélectionnée). La première priorité des missions martiennes est la recherche de traces de vie passée et
la compréhension de l’environnement primitif de la planète.
Un autre volet concerne les exoplanètes dont les observations spectroscopiques sont appelées à se
développer. C’est une thématique concurrentielle où la communauté nationale doit rester bien
positionnée. Modélisation des atmosphères, recherche de biomarqueurs, expérimentations en
laboratoire (e.g. chimie de Titan ou des comètes) sont les directions qui permettront de proposer des
systèmes planétaires cibles pour une nouvelle génération d’instruments au sol et dans l’espace. Il faut
encourager les laboratoires de biologie et de biogéochimie à apporter leur expertise dans la recherche
de biomarqueurs organiques et inorganiques (e.g. biominéralisations).
5. Les moyens d’étude
 Missions spatiales
L’exploration spatiale du système solaire joue bien sûr un rôle moteur pour la planétologie. Ci-dessous
les missions avec implication française qui intéressent la discipline (voir aussi la table).