La détection d’exoplanètes: un enjeu crucial pour les astronomes

Par Tirtho Das — Rédacteur de contenu français, SEDS-ÉEDS Canada

Depuis l’avènement des premiers êtres, la compréhension de l’Univers a toujours fasciné l’Homme : la question de ce qui réside au-delà du ciel a été une interrogation qui persiste même encore chez lui aujourd’hui. C’est ainsi qu’il va développer plusieurs techniques telles que les lunettes astronomiques ou télescopes pour qu’il puisse découvrir les astres : la lunette de Galilée par exemple a permis de découvrir l’héliocentrisme. Cependant aujourd’hui, les scientifiques et astrophysiciens ont pu développer des manières beaucoup plus avancées pour détecter des astres bien au-delà de notre propre système solaire : la méthode des transits et la méthode des vitesses radiales sont deux principales approches utilisées pour cette recherche. La première permet une détection directe des exoplanètes, tandis que la seconde est une méthode indirecte. Alors, en quoi ces deux méthodes permettent-ils de détecter des exoplanètes ? En effet, l’enjeu de pourvoir détecter une autre planète habitable tel que la Terre est très intéressant Nous allons tout d’abord expliquer le principe derrière la méthode des transits pour ensuite en conclure avec la méthode de la vitesse radiale.

Tout d’abord, une manière directe de détecter la présence des exoplanètes est la méthode des transits, qui requière tout simplement de faire une étude temporelle de la luminosité d’une étoile brillante. En effet, grâce à un télescope qui possède un photomètre, un instrument conçu spécifiquement pour mesurer la luminosité des étoiles avec grande précision, on enregistre de manière continu la courbe obtenue de la lumière pendant une certaine période de temps. C’est alors que souvent on aperçoit après l’étude temporelle une baisse de luminosité de l’étoile étudié pour un certain temps : cela se manifeste par une courbe qui cesse d’être constante et décroît pendant un certain temps, puis croît à nouveau jusqu’à ce que la courbe redevienne constante. Or c’est illogique de prédire que l’étoile baisse sa luminosité de nulle part pendant un certain temps et reprends sa luminosité initiale : la seule explication plausible de cette diminution soudaine est la présence d’un objet d’une taille suffisamment importante qui a obstrué la lumière provenant de l’étoile étudiée sur la ligne de visée du télescope, cet objet étant par pur logique une exoplanète. Effectivement, selon la loi de gravitation de Newton qui stipule que deux corps massifs s’attirent mutuellement et explique pourquoi notre propre Terre et le Soleil gravitent autour de leur barycentre de gravité, une diminution soudaine de la luminosité d’une étoile étudiée dans la ligne de visée du télescope indique simplement qu’une certaine exoplanète s’est interposée dans cette ligne de visée en orbite autour de son étoile. De ce fait, en analysant ces variations de luminosité, les astronomes peuvent déduire la présence d’une exoplanète : une certaine estimation de sa période autour de son étoile hôte, de sa masse, de sa taille et de sa composition atmosphérique sont quelques des plusieurs données qu’ils peuvent récolter.

Ensuite, il existe une autre méthode pour permettre de découvrir les exoplanètes : la méthode des vitesse radiales grâce à l’effet Doppler-Fizeau. L’effet Doppler est un phénomène physique qui explique en quoi il y a une modification de fréquence d’une onde mécanique tel que le son ou électromagnétique tel que la lumière lorsque l’émetteur de ce son et le récepteur sont en mouvement l’un par rapport à l’autre. C’est une définition assez complexe, prenons ainsi un exemple très pertinent qui puisse faciliter la compréhension de ce phénomène.

Cependant avant de passer à l’exemple, il faut savoir qu’il y a une formule physique qui lie la fréquence f à la distance λ, qui est donné par f =c/λ: plus la fréquence augmente, plus la distance diminue et vice versa.

Imaginez une voiture immobile qui émet un son grâce à sa sirène à deux personnes A et B situés à une même distance l’un en face de la voiture et l’autre en arrière. La fréquence du son émise par la sirène et égale à la fréquence du son reçues par les deux personnes, puisqu’ils sont tous immobiles : A et B entendront alors le son de la même manière puisqu’il n’y a pas de mouvements, donc l’effet Doppler n’est pas appliqué :

Imaginez maintenant le cas où la voiture produisant le son se met à avancer vers la personne A : comme la distance par rapport au véhicule diminue, la fréquence augmente ce qui fait en sorte que la personne A entendra un son plus aigu. De même, le véhicule s’éloigne de la personne B, donc la distance par rapport à lui grandira, et la fréquence diminuera : il écoutera alors un son plus grave. Ceci explique ainsi pourquoi dans la vie de tous les jours, lorsqu’une voiture s’approche de vous, vous l’entendrez plutôt aigu, mais lorsqu’il s’éloigne, plutôt grave.

Pour la détection d’exoplanètes, tout comme la méthode des transits, les scientifiques vont plutôt s’intéresser aux étoiles et à leur luminosité : cependant dans ce cas, au lieu d’étudier la luminosité d’une étoile, les astronomes vont plutôt s’intéresser aux raies d’absorptions. En effet, chaque étoile possède dans son atmosphère des éléments chimiques différents qui absorbent une certaine partie de la lumière, qui fait en sorte que chaque étoile possède une raie d’absorption différente.

En faisant une étude temporel des raies d’absorptions d’une étoile, on peut souvent observer que les raies bougent : en effet, dans le spectre lumineux qui va du bleu où les longueurs d’ondes sont plus petites (et donc fréquence plus grandes) au rouge où les longueurs d’ondes sont plus grandes (et donc fréquence plus petites), on peut observer que les raies d’absorptions d’une étoile bougent et passe du bleu (blueshift) donc il se rapproche, au rouge (redshift) donc il s’éloigne.

Or la seule possible explication de ce décalage est qu’il y a un autre astre qui impose une certaine attraction à l’étoile étudié, qui fait en sorte que l’étoile se rapproche ou s’éloigne de nous. Ceci permet ainsi de confirmer la détection d’une exoplanète (voir une animation ici).

Ainsi en traçant une courbe qui représente la vitesse radiale de l’étoile grâce à l’étude temporel des raies d’absorptions, c’est-à-dire la vitesse à laquelle l’étoile se rapproche et s’éloigne de nous, les scientifiques peuvent estimer grâce à 2 maximas de 2 motifs de la courbe la période de révolution de l’exoplanète autour de son étoile. De plus, la grandeur d’une amplitude révèle l’importance massif de la planète étudiée. De ce fait, ceci révèle une périodicité (voir une animation ici).

En conclusion, la méthode des transits et la méthode de la vitesse radiale sont 2 techniques très largement utilisés par les scientifiques aujourd’hui pour la détection d’exoplanètes. Une des méthodes est directe et fait intervenir l’enjeu de la luminosité d’une étoile alors que l’autre est une méthode indirecte qui fait intervenir le spectre d’absorption d’une étoile étudié par ces changements des raies d’absorptions. Cependant, ces 2 technique possède toutefois des limites, car elles ne peuvent que détecter des planètes très massives qui peuvent soit posséder une taille assez grande pour bloquer la luminosité d’une étoile, où être assez lourd pour pouvoir attirer une étoile. Néanmoins, ces techniques ont pu permis de découvrir plus de 4000 planètes dans plus de 3000 étoiles différentes, et sont très efficaces pour la détection d’exoplanètes : qui sait, peut-être que l’on trouvera une planète semblable à la Terre un jour, où l’on découvrira une nouvelle forme de vie…