EXOPLANÈTES Méthodes de détection

Une exoplanète est un astre très peu lumineux, qu'elle diffuse la lumière de l’étoile autour de laquelle elle tourne ou qu’elle émette son propre rayonnement, généralement dans l’infrarouge vu sa basse température. Sa détection est donc difficile, et ce, d’autant plus que sa distance à la Terre est grande. Ainsi, seules des exoplanètes appartenant à notre Galaxie sont connues. Depuis la découverte de la première exoplanète en 1995, diverses méthodes de détection ont été développées, complémentaires et subtiles. Mises en œuvre au foyer de télescopes fonctionnant aux longueurs d’onde du visible ou du proche infrarouge, elles se divisent en deux types : les méthodes indirectes – qui ne forment pas une image de l’exoplanète, mais mesurent l’effet de sa présence sur son étoile et déduisent de cet effet certaines de ses propriétés – et les méthodes directes, qui mesurent quant à elles la lumière issue de l’exoplanète même et en précisent la position sur une image. Chacune de ces techniques d’observation a conduit à la détection de nombreuses exoplanètes.

Les méthodes indirectes

Système formé du Soleil (ou autre étoile) et d’une planète (ou d’une exoplanète) - crédits : Encyclopædia Universalis France — Système formé du Soleil (ou autre étoile) et d’une planète (ou d’une exoplanète)
Encyclopædia Universalis France

Comme les planètes, les exoplanètes tournent périodiquement autour de leur étoile, selon un mouvement décrit par les lois de Kepler au xvii^e siècle et expliqué à la fin de ce même siècle par la loi de gravitation énoncée par Newton. Plus précisément, étoile et exoplanète(s) tournent chacune autour du centre de gravité du système qu’elles forment. L’étoile étant bien plus massive qu’une exoplanète, son orbite est de dimension significativement plus petite que celle décrite par cette dernière. Les perturbations produites par une exoplanète sur l’étoile sont donc faibles, certaines étant néanmoins mesurables avec les instruments actuels. Plusieurs méthodes de détection indirecte exploitent ce fait.

Méthode vélocimétrique

La méthode ayant permis de détecter les premières exoplanètes autour d’étoiles semblables au Soleil est celle des vitesses radiales ou vélocimétrie. Elle exploite le fait que les deux corps, étoile et exoplanète, tournent autour de leur centre de masse commun. Au cours de ces mouvements, la vitesse radiale, définie comme la vitesse de l’étoile projetée sur la ligne de visée (droite joignant l’observateur à l’étoile), varie de manière périodique, sauf dans le cas particulier où le plan orbital de l’exoplanète serait, vu de la Terre, perpendiculaire à la direction de visée. Les variations de la vitesse radiale de l’étoile sont d’autant plus grandes que la masse de l’exoplanète est élevée et que l’exoplanète est proche de son étoile (lois de Kepler). Lorsqu’elles peuvent être mesurées sur des durées comparables à la période orbitale (dite aussi période de révolution) de l’exoplanète, voire supérieures, il devient possible de calculer cette période (durée pour effectuer un tour autour de son étoile), et donc la distance de l’exoplanète à l’étoile, par application de la troisième loi de Kepler.

Il en découle la détermination d’une limite inférieure pour la masse de l’exoplanète. En effet, l’application de la loi de Kepler ne fournit que le produit de la masse par le sinus de l’angle d’inclinaison du plan orbital par rapport à la direction de visée, faute de pouvoir mesurer l’angle sous lequel est vu le plan orbital. Le sinus peut donc prendre n’importe quelle valeur entre 0 et 1, ce qui entraîne cette limite inférieure. La mesure des vitesses radiales s’effectue à l’aide d’un spectromètre installé au foyer d’un télescope. Cet instrument disperse la lumière de l’étoile et permet de repérer des raies caractéristiques d’éléments chimiques présents dans l’enveloppe externe de cet astre (photosphère). Lorsque la vitesse de l’étoile par rapport à l’observateur terrestre varie – sous l’effet de la présence d’une exoplanète par exemple –, la position des raies varie également :[...]

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