Il y a une génération, l'idée d'une planète gravitant autour d'une étoile lointaine était encore du domaine de la science-fiction. Mais depuis la découverte de la première exoplanète en 1988, nous en avons trouvé des centaines, avec des découvertes plus rapides dans le temps.
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Le mois dernier, dans une seule annonce, les astronomes de la NASA ont révélé la découverte de 715 planètes auparavant inconnues dans les données recueillies par le télescope spatial Kepler, ce qui porte à 1771 le nombre total d'exoplanètes connues., certaines sont pleines d'eau, d'autres de la taille de la Terre et d'autres deux fois plus grandes que Jupiter.
Mais la grande majorité de ces planètes lointaines ont un point commun: à quelques exceptions près, elles sont trop éloignées pour que nous puissions les voir, même avec nos télescopes les plus puissants. Si tel est le cas, comment les astronomes savent-ils qu'ils sont là?
Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont mis au point diverses techniques pour repérer les nombreuses planètes extérieures à notre système solaire, souvent associées pour confirmer la découverte initiale et en apprendre davantage sur les caractéristiques de la planète. Voici une explication des principales méthodes utilisées jusqu'à présent.
Transit
Imaginez-vous en train de regarder une petite planète en orbite autour d'une étoile très loin, très loin. De temps en temps, la planète peut passer entre vous et son étoile, bloquant brièvement une partie de la lumière des étoiles. Si cette atténuation se produisait assez souvent, vous pourriez peut-être en déduire la présence de la planète, même si vous ne la voyez pas.
(Image via Wikimedia Commons / Nikola Smolenski) C’est l’essentiel, c’est la méthode de transit pour détecter les exoplanètes, à l’origine de la majorité de nos découvertes d’exoplanètes. Bien sûr, pour les étoiles lointaines, il est impossible pour un œil humain nu de détecter de manière fiable une diminution de la quantité de lumière que nous voyons. Les scientifiques s’appuient sur des télescopes (notamment le télescope spatial Kepler) et d’autres instruments pour collecter et analyser ces données.
Ainsi, pour un astronome, "voir" une exoplanète lointaine via la méthode de transit finit généralement par ressembler à ceci:
La quantité de lumière d'une étoile lointaine, représentée graphiquement, diminue au fur et à mesure que la planète passe entre elle et nous. (Image via Wikimedia Commons / Сам посчитал) Dans certains cas, la quantité de gradation provoquée par le passage de la planète entre son étoile et nous peut également indiquer aux astronomes une estimation approximative de la taille de la planète. Si nous connaissons la taille d'une étoile et la distance qui la sépare de la planète (cette dernière étant déterminée par une autre méthode de détection, vitesse radiale, plus bas sur cette liste), et que nous observons que la planète bloque un certain pourcentage de la lumière de l'étoile, nous pouvons calculer le rayon de la planète uniquement à partir de ces valeurs.
La méthode de transit présente toutefois des inconvénients. Une planète doit être correctement alignée pour passer entre nous et son étoile, et plus elle s’éloigne de l’orbite, plus les chances de cet alignement sont faibles. Les calculs indiquent que pour une planète de la taille de la Terre orbitant son étoile à la même distance que la nôtre (environ 93 millions de kilomètres), il y a seulement 0, 47% de chance d'être alignée correctement pour causer une gradation.
La méthode peut également conduire à un grand nombre de faux positifs - des épisodes d'atténuation que nous identifions comme des planètes en transit, mais qui sont finalement causés par quelque chose de complètement. Une étude a révélé que près de 35% des grandes planètes en orbite étroite identifiées dans les données de Kepler pourraient en fait être inexistantes et l'atténuation de la luminosité attribuée à la poussière ou à d'autres substances situées entre nous et l'étoile. Dans la plupart des cas, les astronomes tentent de confirmer les planètes trouvées via cette méthode avec d'autres méthodes de cette liste.
Luminosité orbitale
Dans certains cas, une planète en orbite autour de son étoile fait augmenter la quantité de lumière atteignant la Terre plutôt que de la plonger. Généralement, il s'agit de cas dans lesquels la planète orbite très étroitement, de sorte qu'elle soit chauffée au point d'émettre des quantités détectables de rayonnement thermique.
Bien que nous ne puissions pas distinguer ce rayonnement de celui de l'étoile elle-même, une planète en orbite dans le bon alignement nous sera exposée dans une séquence d'étapes régulière (similaire aux phases de la lune), donc régulière, périodique augmente la quantité de lumière que les télescopes spatiaux reçoivent de ces étoiles peut être utilisé pour déduire la présence d’une planète.
Semblable à la méthode de transit, il est plus facile de détecter de grandes planètes en orbite autour de leurs étoiles avec cette technique. Bien que seules quelques planètes aient été découvertes en utilisant cette méthode à ce jour, il se peut que cette méthode soit la plus productive à long terme, car elle ne nécessite pas de passer d’une exoplanète directement entre nous et l’étoile pour que nous puissions la détecter. ce qui ouvre un éventail beaucoup plus large de découvertes possibles.
Vitesse radiale
À l'école primaire, nous apprenons qu'un système solaire est une étoile fixe entourée de planètes, d'astéroïdes et d'autres débris en orbite lente. La vérité, cependant, est un peu plus compliquée: en raison de l'attraction gravitationnelle des planètes, l'étoile s'éloigne aussi légèrement du centre de gravité du système:
(Image via Wikimedia Commons / Zhatt) Le phénomène ressemble à ceci: une grande planète, si elle a assez de masse, pourrait être capable de tirer l'étoile vers elle, ce qui la ferait passer du centre exact du système solaire éloigné. Ainsi, des changements périodiques, prévisibles mais néanmoins infimes, de la position de l'étoile peuvent être utilisés pour déduire la présence d'une grande planète à proximité de cette étoile.
Les astronomes ont profité de ce phénomène pour détecter des centaines d'exoplanètes. Jusqu'à récemment, lorsqu'elle était dépassée par le transit, cette méthode (appelée vitesse radiale) était responsable de la majorité des exoplanètes découvertes.
Il peut sembler difficile de mesurer de légers mouvements d'étoiles à des centaines de années lumière, mais il s'avère que les astronomes peuvent détecter le moment où une étoile accélère vers (ou loin de) la Terre à des vitesses aussi basses qu'un mètre par seconde en raison de l'effet Doppler.
L’effet est le phénomène d’ondes (son, lumière visible ou autres formes d’énergie électromagnétique) semblant avoir une fréquence légèrement supérieure lorsque l’objet qui les émet se dirige vers un observateur et légèrement plus basses lorsqu’il s’éloigne. Vous avez pu constater par vous-même si vous avez déjà entendu le vrombissement d'une sirène d'ambulance à l'approche remplacée par une tonalité légèrement plus basse au moment de partir.
Remplacez l’ambulance par une étoile lointaine et le son d’une sirène par la lumière qu’elle émet, et c’est à peu près l’idée. À l'aide de spectromètres, qui mesurent les fréquences particulières de la lumière émise par une étoile, les astronomes peuvent rechercher des décalages apparents, indiquant que l'étoile se rapproche légèrement de nous ou s'éloigne légèrement.
Le degré de mouvement peut même refléter la masse de la planète. Combinés au rayon de la planète (calculés selon la méthode du transit), ils peuvent permettre aux scientifiques de déterminer la densité de la planète, et donc sa composition (s'il s'agit d'une géante gazeuse ou d'une planète rocheuse, par exemple).
Cette méthode est également soumise à des limitations: il est beaucoup plus facile de trouver une planète plus grande en orbite autour d'une étoile plus petite, car une telle planète a un impact plus important sur le mouvement de l'étoile. Des planètes relativement petites, de la taille de la Terre, seraient probablement difficiles à détecter, en particulier à de longues distances.
Imagerie directe
Dans quelques rares cas, les astronomes ont pu trouver des exoplanètes de la manière la plus simple possible: en les voyant.
Trois planètes massives, probablement plus grandes que Jupiter, ont été directement gravées en orbite autour de l’étoile HR8799 en 2010. (L’étoile elle-même est bloquée par un coronographe. (Image via l’observatoire NASA / JPL-Caltech / Palomar) Ces cas sont si rares pour plusieurs raisons. Pour pouvoir distinguer une planète de son étoile, elle doit être relativement éloignée de celle-ci (il est facile d’imaginer que Mercure, par exemple, ne pourrait être distingué du Soleil de très loin). Mais si une planète est trop éloignée de son étoile, elle ne reflétera pas suffisamment la lumière de l'étoile pour être visible.
Les exoplanètes les plus sûrement visibles par les télescopes sont grandes (comme Jupiter) et très chaudes, de sorte qu'elles émettent leur propre rayonnement infrarouge, qui peut être détecté par les télescopes et utilisé pour les distinguer de leurs étoiles. Les planètes qui orbitent des nains bruns (des objets qui, techniquement, ne sont pas classés comme étoiles, car elles ne sont pas assez chaudes ou assez massives pour générer des réactions de fusion et ainsi émettre peu de lumière) peuvent également être détectées plus facilement.
L’imagerie directe a également été utilisée pour détecter quelques planètes voyous particulièrement massives, celles qui flottent librement dans l’espace au lieu de tourner autour d’une étoile.
Lentille gravitationnelle
Toutes les méthodes précédentes de cette liste ont du sens pour un non-scientifique à un niveau intuitif. La lentille gravitationnelle, utilisée pour découvrir une poignée d'exoplanètes, nécessite une réflexion plus abstraite.
Imaginez une étoile très loin et une autre à peu près à mi-chemin entre elle et la Terre. Dans de rares moments, les deux étoiles pourraient presque aligner, presque qui se chevauchent dans le ciel nocturne. Lorsque cela se produit, la force de gravité de l'étoile la plus proche agit comme une lentille, amplifiant la lumière entrante provenant de l'étoile lointaine lorsqu'elle passe près de celle-ci pour nous atteindre.
Une simulation de lentille gravitationnelle, montrant la lumière provenant d'une galaxie lointaine en train d'être grossie par un trou noir au milieu. (Image via Urbane Legend) Si une étoile dont une planète est proche de l'orbite sert de lentille gravitationnelle, le champ gravitationnel de cette planète peut ajouter une contribution légère mais détectable à l'événement de grossissement. Ainsi, dans de rares cas, les astronomes ont pu déduire la présence de planètes distantes en amplifiant la lumière d’étoiles encore plus éloignées.
Un graphique des découvertes d’exoplanètes par année, avec la méthode de détection représentée par la couleur. Vert = transit, bleu = vitesse radiale, rouge = imagerie directe, orange = lentille gravitationnelle. (Image via Wikimedia Commons / Aldaron)
