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Les Exoplanètes

Depuis plus d’une dizaine d’années nous entendons parler d’exoplanètes ou encore de planètes extrasolaires. Il s’agit de toutes les sortes de planètes qui peuvent orbiter autour d’une autre étoile que le soleil. Bien que l’on ait envisagé depuis longtemps l’existence de telles planètes, il a fallu une amélioration conséquente des moyens d’observation pour vérifier cette hypothèse. Rien d’étonnant puisque l’étoile la plus proche du Soleil nommée Proxima du Centaure est à 4,22 années-lumière soit 265.000 fois plus loin de nous que le Soleil.

C’est en 1990 qu’après des observations laborieuses la première exoplanète est détectée avec le radiotélescope d’Arecibo à Porto Rico. La planète, même de grandes dimensions, n’est pas observable et sa présence est déduite des perturbations minimes qu’elle produit dans le mouvement ou la luminosité  de son étoile. A noter que ce sera le cas dans la grande majorité des exoplanètes répertoriées ultérieurement.

Même si les méthodes indirectes permettent de calculer une grande partie des caractéristiques physiques de la planète, le rêve des astronomes reste l’observation directe des exoplanètes avec les télescopes spatiaux futurs.

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LES METHODES DE DETECTION

Voyons de quelles planètes il s’agit et comment les télescopes terrestres ou spatiaux peuvent détecter leur présence invisible autour d’une étoile extrêmement lumineuse.

Taille des planètes

Les premières observées ne pouvaient être que de taille importante. Ce sont les planètes gazeuses comparables à Jupiter ou Saturne et pour les plus volumineuses jusqu’à dix fois Jupiter. On détecte maintenant des planètes rocheuses comme la Terre et on s’y intéresse particulièrement si elles se situent dans des zones dont les conditions permettraient le développement de la vie.

Méthode de transit

C’est une des méthodes les plus utilisées. Quand pour l’observateur la planète passe devant l’étoile, alors la luminosité de l’étoile est très légèrement diminuée. Les mesures faites, confirmées par plusieurs observations permettent de mesurer la période de révolution de la planète et de  comparer son diamètre apparent à celui de l’étoile connu par d’autres mesures.

L’application des lois de Kepler ou du diagramme de Hertzsprung-Russell à partir du  type spectral de l’étoile permettent de mieux définir la planète par ses dimensions, son orbite et sa situation éventuelle  dans la zone habitable (propice à la vie) de l’astre.

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Méthode par vitesse radiale

Cette méthode est celle qui a donné le plus de résultats.

Principe simplifié

On utilise l’effet Doppler-Fizeau déjà expliqué par son application sonore au sifflet d’un train selon qu’il se rapproche (vers les aigus) ou qu’il s’éloigne (vers les basses). La fréquence sonore émise par le sifflet, celle entendue par le spectateur et un calcul simple nous donnent la vitesse de rapprochement du train (vitesse radiale). Si un obstacle oblige le train à freiner, le son reçu va être  modifié. Ceci est une image simple pour expliquer la méthode de détection par vitesse radiale.

Pour les étoiles, au lieu du son, c’est le rayonnement électromagnétique, notamment en lumière visible, qui nous permet de les observer et de déterminer leur mouvement et la vitesse parfaitement régulière à laquelle elles se rapprochent ou s’éloignent de nous (vitesse radiale). Quand elles s’éloignent, la longueur d’onde apparente de la lumière émise augmente ce qui décale les couleurs observées vers le rouge. La présence de planètes autour de l’étoile va par gravité en perturber un peu le mouvement et très légèrement modifier la vitesse radiale  que nous calculons à partir du spectre qu’elle émet.

Application et difficultés

Les étoiles sont connues par leur spectre et ses raies d’absorption. Il faut des observations nombreuses et continues du spectre pour détecter des variations. Quand la longueur d’onde des  raies d’absorption augmente puis diminue de façon régulière dans un temps donné, cela peut indiquer un changement infime de la vitesse radiale. Cette altération qui peut être due à la présence d’une planète en orbite autour de l’étoile  est révélée par des variations de fréquence (effet Doppler-Fizeau)  observées sur la lumière émise.

Les mesures sont délicates et exigent des observations répétées dans le temps avec des spectromètres de plus en plus précis. On atteint des précisions sur la vitesse radiale de 1m/s  et l’on vise 0,1 m/s dans le futur. La vitesse radiale décrit une courbe sinusoïdale pour une planète à orbite circulaire. Et à partir de ces mesures sont ensuite calculés les caractéristiques de l’orbite, la masse de la planète, la position par rapport à l’étoile, etc…

Autres méthodes

Il en existe plusieurs qui sont plutôt utilisées dans des observations particulières et ne fournissent que des résultats spécifiques. (Astrométrie, lentilles gravitationnelles, optique adaptative, coronographie,…)

 

OBSERVATOIRES ET TELESCOPES SPATIAUX

De nombreux projets, observatoires et moyens spatiaux sont orientés vers la recherche et l’étude des exoplanètes.  Parmi les plus importants, citons :

Observatoires

* Télescope Subaru, 2008 (Hawaï)  instrument  HiCIAO,

* Télescopes Gemini, 2010.(Chili et Hawaï)( Gemini Planet Imager),

* Télescopes VLT, 2010.(Chili) SPHERE,

* Futur E-ELT de 39,3 mètres, 2022(GMT Planet Imager)

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Télescopes spatiaux

* Télescope Kepler lancé en 2009. Il a révolutionné la recherche des exoplanètes.

Et deux grands  projets :

* TESS - Transiting Exoplanet Survey Satellite prévu en 2017

* Télescope James Webb prévu en 2018

* Sonde Plato de l’ESA prévue pour 2024.

Avec l’amélioration des performances obtenue avec le télescope Kepler et envisagée avec James Webb et en mieux avec Plato, l’objectif  est surtout de recenser des planètes rocheuses comme la Terre situées dans des zones propices à la vie.

 

UN BRILLANT TABLEAU

Il faut voir maintenant quel est le bilan  de 25 ans de recherche des exoplanètes.

An

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Nb

3 ?

0

1

1

7

0

8

11

21

13

30

27

31

33

 

 

An

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

6/2016

Nb

29

60

61

83

116

191

154

189

841

173

1400 ?

 

 

 

Comme il y a des découvertes tous les jours, nous avons dépassé les 3500 exoplanètes en juin 2016 et à partir de maintenant le décompte en nombre qui ne cessera de croitre n’a guère d’intérêt. La place est maintenant à un catalogue  recensant les objets et leurs caractéristiques principales. Les pointes de 2014 et 2016 dans ce tableau s’expliquent ainsi. Pour 2014, c’est une campagne spéciale du télescope spatial Kepler. Pour 2016, il s’agit surtout d’un changement de méthode de calcul basée sur les probabilités.

Il faut retenir de ces années de recherche que la grande majorité des exoplanètes  détectées est formée de planètes gazeuses de grandes dimensions. Les planètes rocheuses, plus petites, commencent à être recensées, mais malgré les annonces de la presse, l’équivalent de la Terre n’a pas encore été trouvé.

                   

CONCLUSION

Les exoplanètes suscitent la curiosité et sont rassurantes, ce qui explique leur soutien médiatique. Elles transposent dans l’univers lointain et hostile des répliques du système solaire qui nous sont familières. Et pourquoi pas autour de nombreuses étoiles, une planète bienheureuse où la vie a pu s’épanouir et où nos descendants iraient un jour. Les chiffres nous ramènent très vite à la réalité. Cinq ou six années lumières pour arriver au bout du voyage, ce qui, en imaginant une fusée faisant 50 km/s, fait tout de même 30.000 ans.

Si pour certains les exoplanètes ne sont qu’imagination et poésie, pour la science spatiale leur étude apporte de nouvelles informations sur l’Univers et fait faire des progrès considérables  à la technologie.

Continuons à rêver d’exoplanètes idéales !

 

 

Textes : Jack Muller - Illustrations: Internet

crédits image: http://hubblesite.org/gallery http://www.esa.int/