La détection des exoplanètes
Les chercheurs sont capables de prendre des images extraordinaires des planètes du Système solaire au moyen de télescopes puissants et de sondes spatiales. Cependant, les exoplanètes sont beaucoup plus difficiles à observer directement : elles sont en orbite autour d'étoiles lointaines et, de plus, elles se trouvent souvent proches de leur étoile très brillante. Les astronomes doivent alors les détecter indirectement en observant l'effet qu'elles ont sur leur étoile.
Comment les astronomes découvrent-ils des exoplanètes?
La méthode du transit
Vénus passant devant le Soleil au cours d'un rare transit capté par le télescope optique solaire de la mission Hinode. Le prochain sera en 2117. (Source : JAXA/NASA/Hinode.)
Pour un observateur, quand une planète passe devant son étoile, c'est ce qu'on appelle le transit. Dans le Système solaire, depuis la Terre, on peut voir Vénus et Mercure passer devant le Soleil en de rares occasions. Mais des planètes transitent aussi devant des étoiles lointaines. Quand cela se produit, la luminosité de l'étoile semble diminuer temporairement.
Les astronomes peuvent détecter ces exoplanètes en observant cette diminution de la luminosité de l'étoile. Certaines missions spatiales, comme celle du télescope spatial Kepler de la NASA, sont destinées à ce type d'observation, sur des centaines de milliers d'étoiles. En se basant sur la fréquence des variations lumineuses, les scientifiques peuvent déterminer la taille et la période orbitale des exoplanètes. Trois quarts des exoplanètes connues ont été découvertes au moyen de la méthode du transit.
[Vidéo] Vidéo d'animation montrant l'effet du passage d'une exoplanète devant une étoile sur la luminosité de cette dernière (en anglais seulement). Une grosse planète, du fait qu'elle bloque plus de lumière qu'une petite, provoque une plus grande diminution de la luminosité. (Source : NASA-JPL.)
Les transits captés par des télescopes spatiaux sensibles peuvent non seulement aider à la découverte d'exoplanètes, mais aussi révéler la composition de leur atmosphère. Quand une exoplanète passe devant son étoile, la lumière de l'étoile traverse l'atmosphère de la planète. Les scientifiques étudient cette lumière au moyen d'une technique appelée spectroscopie de transmission afin d'en savoir plus sur la composition chimique de l'atmosphère de la planète. Il est possible de détecter, par exemple, des molécules d'oxygène et d'eau. La découverte de ces molécules – et d'autres biosignatures, c'est-à-dire de signes de vie possibles – est l'un des principaux objectifs du télescope spatial James Webb et du programme NEAT dirigé par un chercheur canadien.
Méthode des vitesses radiales
[Vidéo YouTube] Vidéo d'animation du mouvement (de l'oscillation) d'une étoile dû à l'effet gravitationnel d'une planète en orbite autour d'elle (en haut) (en anglais seulement). On peut observer le déplacement de l'étoile en fonction de la variation de sa signature spectrale (en bas). (Source : ESO/L. Calçada.)
Une planète suit son orbite sous l'effet de l'attraction gravitationnelle de son étoile. Mais saviez-vous que les étoiles se déplacent aussi légèrement – ou oscillent – sous l'effet gravitationnel de leurs planètes?
L'oscillation d'une étoile est minuscule comparativement à l'orbite d'une planète puisque les étoiles sont beaucoup plus grosses que les planètes. Malgré cela, les instruments des télescopes modernes sont maintenant assez sensibles pour mesurer cette oscillation.
La première exoplanète détectée autour d'une étoile semblable au Soleil, 51 Pegasi b, a été découverte en au moyen de la méthode des vitesses radiales. En voici le principe : quand une étoile oscille en raison de la présence d'une ou plusieurs planètes, elle s'éloigne et se rapproche du télescope, ce qui a un effet sur la lumière qu'on observe. Les scientifiques peuvent calculer la vitesse d'oscillation de l'étoile en mesurant l'intensité de l'effet Doppler (l'étirement et la compression des ondes électromagnétiques). Plus l'oscillation est rapide, plus la planète en orbite est grosse et proche!
Vous avez certainement déjà remarqué qu'une ambulance n'a pas le même son selon qu'elle se rapproche ou s'éloigne. Ce phénomène, c'est l'effet Doppler. Quand l'ambulance se rapproche, les ondes sonores produites par la sirène sont comprimées : on entend un son plus aigu que le son véritable. Quand l'ambulance s'éloigne, les ondes sonores sont étirées, ce qui rend le son plus grave à nos oreilles. Les ondes électromagnétiques peuvent subir le même effet. Un objet semblera plus bleu en se rapprochant (les ondes électromagnétiques étant comprimées) et plus rouge en s'éloignant (les ondes électromagnétiques étant étirées). C'est ce qu'on appelle le décalage vers le bleu et le décalage vers le rouge.
Des Canadiens sont les pionniers de la méthode des vitesses radiales! Dans les années , les astronomes Bruce Campbell, Gordon Walker et Stephenson Yang ont utilisé cette méthode, les premiers à le faire, pour découvrir une exoplanète selon les variations de la vitesse radiale de son étoile.
Images directes
[Vidéo YouTube] Images directes animées de l'étoile HR 8799 et de ses quatre exoplanètes (en anglais seulement). L'étoile est indiquée au centre par un petit symbole d'étoile de couleur jaune. L'étoile a été masquée pour éliminer l'éblouissement de sa lumière et permettre ainsi de voir les planètes. Les images ont été prises sur une période de sept ans avec le télescope Keck à Hawaï. (Source : Jason Wang [Caltech]/Christian Marois [CNRC-Herzberg].)
Il est particulièrement ardu (mais pas impossible!) de prendre des images directes de planètes en dehors du Système solaire. Les exoplanètes sont très difficiles à photographier en raison de leur immense distance de la Terre et de leur petite taille. Chose certaine, on ne peut pas obtenir le niveau de détail auquel on est maintenant habitués pour les images des planètes et des astéroïdes du Système solaire.
Pour pouvoir obtenir des images d'un système exoplanétaire directement, les scientifiques bloquent la lumière de l'étoile centrale dont l'éclat empêcherait d'observer les planètes. Capter directement des images des planètes est plus facile si elles sont relativement éloignées de leur étoile ou si le système exoplanétaire est jeune puisque les jeunes planètes sont plus brillantes, donc plus faciles à repérer. Des astronomes ont même pu observer directement des planètes en cours de formation!
L'imagerie directe compte son lot de défis – distance, éblouissement de l'étoile, petite taille de la planète. Voilà pourquoi la plupart des images d'exoplanètes dans les médias populaires sont des vues d'artiste. Celles-ci permettent au moins de montrer ce à quoi pourraient ressembler ces mondes éloignés. L'imagerie directe n'a été possible que pour très peu d'exoplanètes. En , une équipe d'astronomes canadiens a été la première à obtenir des images directes d'un système de plusieurs planètes, celui de l'étoile HR 8799.
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