En quête d'exoplanètes

Deux astrophysiciens de l’observatoire de Sauverny en Suisse ont reçu le prix Nobel de physique 2019 pour leur découverte de la première exoplanète. Comment ont-ils découvert ces planètes qui nous font rêver à d’autres « Terres » habitables ?

Planète, vue d'artiste

Une planète perdu dans l'univers. (Image: Magann/CanStockPhoto)

La première découverte d’une exoplanète…

En octobre 1995, deux astrophysiciens de l’Université de Genève, Michel Mayor et Didier Queloz, découvrent une planète en orbite autour de 51 Pegasi, une  étoile de notre galaxie qu’ils nomment 51 Pegasi b. Cette planète est très chaude (1000 °C environ) car elle est située très proche de son étoile (elle tourne autour d’elle en seulement 4 jours !) et elle fait à peu près la moitié de la masse de Jupiter, notre plus grosse planète. Elle est classée dans les géantes gazeuses, ce qui est assez incroyable car - à la différence des planètes gazeuses de notre système solaire - elle est très proche de son étoile.

Comment ont-ils fait pour observer cette planète ?

Coronographie

Exemple de coronographie. L'étoile Beta Pictoris (cercle blanc sous le disque noir) a été masquée pour pouvoir distinguer la petite planète à gauche. (Image: Observatoire européen austral (ESO))

Un moyen de trouver des exoplanètes serait d’utiliser des outils visuels, des télescopes très puissants. Le problème, c’est que la lumière de l’étoile autour de laquelle la planète tourne est trop intense pour que l’on puisse voir ses planètes; elle nous éblouit et les cache.

Une des techniques utilisées actuellement est la coronographie. Elle avait été inventée pour observer la couronne solaire en créant l’effet d’une éclipse totale. Cette technique permet d’atténuer la luminosité de l’étoile. Sa version améliorée permet d’observer non seulement la couronne de l’étoile, mais aussi son environnement direct.

Les scientifiques ont développé d’autres stratégies qui permettent l’observation indirecte:

La méthode de transit

Illustration de la méthode de transit dans la recherche de nouvelles exoplanètes. (Image: Sanao/Wikimedia Commons, licence CC)

 

La méthode de transit : si une planète qui passe devant son étoile est par chance alignée avec la Terre, elle provoque une diminution de la lumière qui nous parvient de l’étoile (elle la cache un peu, c’est une sorte d’éclipse partielle) que l’on peut détecter et mesurer. Cela permet de connaître la taille de la planète car plus elle cache l’étoile, plus elle est grande (pour une certaine distance). On peut aussi connaître une propriété importante de la planète : la composition chimique de son atmosphère.

 

La méthode de vitesse radiale

Schéma expliquant le fonctionnement de la méthode de vitesse radiale. (Image: European Southern Observatory/Wikimedia Commons , licence CC)

La méthode de vitesse radiale : En tournant autour de leur étoile, les planètes la font bouger à cause de la gravitation (leur masse provoque un déplacement par force d’attraction). Lorsqu’on observe l’étoile depuis la Terre, c’est comme si l’étoile oscillait et faisait des petits mouvements d’un côté puis de l’autre. En fait, si on veut se l’imaginer, c’est un peu comme un lanceur de poids qui est légèrement entraîné par son objet. Les astronomes arrivent à mesurer les variations de longueur d’onde de la lumière émise par l’étoile grâce à un appareil qu’on nomme spectrographe et donc à enregistrer ces mouvements. Ces mouvements dépendent de la masse des planètes que les astronomes peuvent ainsi estimer.

En combinant les méthodes, on peut connaître la taille (transit) et la masse (vitesse radiale) de ces planètes et on peut ainsi en déduire leur densité et savoir si elles sont rocheuses ou gazeuses.

Une planète découverte mais jamais vue !

Michel Mayor et Didier Queloz ont utilisé la méthode de vitesse radiale. Ils n’ont en réalité jamais vue de leurs propres yeux la planète qu’ils ont découverte. Les deux astrophysiciens ont mesuré ses variations de vitesse grâce à un spectrographe qu’ils ont développé. Cet appareil était relié à un télescope situé dans l’Observatoire de Haute-Provence, en France. Ce spectrographe reçoit et analyse la lumière concentrée de l’étoile (ce que l’on appelle le spectre de l’étoile). Il est un peu comme un prisme qui décompose la lumière blanche en couleurs de l’arc en ciel.
Si l’étoile bouge parce qu’elle est attirée gravitationnellement par une planète, les couleurs perçues de la Terre vont être légèrement modifiées. On recevra des ondes plus rouges si elle s’éloigne de nous (fréquence de l’onde moins élevée) et plus bleues lorsqu’elle se rapproche (fréquence plus élevée). C’est ce que l’on appelle l’effet Doppler.
Une courbe représentant un modèle mathématique de la vitesse de l’étoile leur a permis de connaître la masse de la planète qui tourne autour de l’étoile et d’en connaître la périodicité (en combien de temps elle tourne autour de l’étoile). Ceci a constitué une preuve incontestable de la présence de l’exoplanète.

Un prix Nobel vingt-quatre ans après

Pour trouver quelle étoile observer, ils ont dû établir à l’avance un catalogue d’étoiles similaires à notre Soleil, qui seraient susceptibles d’avoir une planète en orbite autour d’elle parmi les quelques 200 à 400 milliards d’étoiles que contient notre galaxie. Pegasi 51 est l’étoile autour de laquelle tourne la planète qu’ils ont découverte en 1995 et qui leur a valu le prix Nobel en 2019. Cette planète, tout d’abord nommée Pégasi 51b (en rapport à son étoile) a été baptisée Bellérophon.
Bellérophon est une géante gazeuse et elle ne pourrait pas être habitable parce qu’elle est trop proche de son étoile.
La grande quête des exoplanètes a été propulsée grâce à cette découverte. A ce jour on en a recensé plus de 4000. Mais on ne sait pas s'il y en a des similaires à la Terre qui pourraient abriter la vie.

Pour savoir pourquoi on étudie ces planètes et ce qu’elles peuvent nous apprendre il faut aller « à la rencontre des planètes extrasolaires...»


Texte: Rédaction SimplyScience.ch

Sources: « Exoplanète » Vikidia, l’encyclopédie, « C’est pas sorcier : les exoplanètes »Dossier grand format « À la découverte des exoplanètes » RTS 

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