Les impressions d’artiste représentées dans ce montage imaginent certains des différents types d’exoplanètes et leurs étoiles hôtes qui pourraient être étudiées par Khéops. Crédit : ESA
Les humains ont longtemps spéculé sur l’existence d’autres mondes, avec l’idée évoquée pour la première fois par les philosophes grecs antiques et récurrente au Moyen Âge et à la Renaissance. Les recherches d’exoplanètes ont commencé sérieusement au milieu du 20e siècle. La première découverte sans ambiguïté d’un exoplanète en orbite autour d’une étoile comme notre Soleil, en 1995, a complètement changé notre vision du système solaire. Une planète géante avec une masse d’environ la moitié de celle de Jupiter, nommé par la suite 51 Pegasi b, a été retrouvé en orbite autour de son étoile hôte en un peu plus de quatre jours. La présence d’une planète aussi massive sur une orbite aussi courte – beaucoup plus proche de son étoile que Mercure ne l’est de notre Soleil – était complètement inattendue et ne correspondait pas à notre compréhension de la formation des planètes à l’époque.
Les exoplanètes peuvent être détectées en mesurant l’oscillation dans le mouvement de son étoile causée par l’attraction gravitationnelle d’une planète alors que la planète et l’étoile orbitent autour d’un centre de masse commun. Vue de loin, l’étoile semble se rapprocher et s’éloigner de l’observateur. Ce mouvement fait apparaître la lumière de l’étoile légèrement plus bleue lorsqu’elle se déplace vers l’observateur, et légèrement plus rouge lorsqu’elle s’éloigne. Ce changement de fréquence est connu sous le nom d’effet Doppler, le même effet que le changement de tonalité d’une sirène d’ambulance lorsqu’elle passe devant vous. La plupart des premières découvertes d’exoplanètes ont été faites en utilisant cette méthode dite de vitesse radiale. Crédit : ESA
Vitesse radiale
51 Pegasi b a été trouvé à l’aide d’un observatoire au sol en repérant des « oscillations » dans le mouvement de son étoile. De telles oscillations sont causées par l’attraction gravitationnelle d’une planète alors que la planète et l’étoile orbitent autour d’un centre de masse commun. Vue de loin, l’étoile semble se rapprocher et s’éloigner de l’observateur. Ce mouvement fait apparaître la lumière de l’étoile légèrement plus bleue lorsqu’elle se déplace vers l’observateur, et légèrement plus rouge lorsqu’elle s’éloigne. Ce changement de fréquence est connu sous le nom d’effet Doppler, le même effet que le changement de tonalité d’une sirène d’ambulance lorsqu’elle passe devant vous. La plupart des premières découvertes d’exoplanètes ont été faites en utilisant cette méthode dite de vitesse radiale.
Les exoplanètes en transit sont détectées lorsqu’elles passent devant – en transit – leur étoile hôte, provoquant une baisse de la lumière stellaire vue du point de vue de l’observateur. Le transit se répète, l’intervalle de temps dépendant du temps qu’il faut à l’exoplanète pour orbiter autour de son étoile. Par exemple, un observateur de notre propre système solaire devrait attendre un an pour voir une répétition de la Terre transitant par le Soleil. Crédit : ESA
Transit
Les premières détections utilisant la photométrie de transit ont été faites en 1999. Les exoplanètes « en transit » sont détectées lorsqu’elles passent devant – en transit – leur étoile hôte, provoquant une baisse de la lumière stellaire vue du point de vue de l’observateur. Le transit se répète, l’intervalle de temps dépendant du temps qu’il faut à l’exoplanète pour orbiter autour de son étoile. Par exemple, un observateur de notre propre système solaire devrait attendre un an pour voir une répétition de la Terre transitant par le Soleil.
L’imagerie directe repose sur la mesure de la lumière de l’exoplanète elle-même. Ceci est particulièrement difficile aux longueurs d’onde optiques, car la planète relativement sombre peut être perdue dans l’éclat de l’étoile hôte beaucoup plus brillante. Crédit : ESA
Imagerie directe
La grande majorité des exoplanètes confirmées ont été découvertes en utilisant les deux méthodes ci-dessus. Une méthode moins courante est l’imagerie directe, qui repose sur la mesure de la lumière de l’exoplanète elle-même. Ceci est particulièrement difficile aux longueurs d’onde optiques, car la planète relativement sombre peut être perdue dans l’éclat de l’étoile hôte beaucoup plus brillante. Cependant, des instruments ont été développés pour bloquer la lumière de l’étoile, et plus de 40 planètes ont été détectées de cette manière.
La microlentille repose sur l’alignement aléatoire de deux étoiles avec un observateur. Lorsqu’une étoile se croise derrière l’autre, l’étoile la plus proche agit comme une lentille, courbant la lumière de sorte que la luminosité augmente et diminue en douceur. Si une planète est présente autour de l’étoile la plus proche, sa gravité pliera également le flux lumineux, provoquant un pic. Crédit : ESA
Microlentille
La microlentille repose sur l’alignement aléatoire de deux étoiles avec un observateur. Lorsqu’une étoile se croise derrière l’autre, l’étoile la plus proche agit comme une lentille, courbant la lumière de sorte que la luminosité augmente et diminue en douceur. Si une planète est présente autour de l’étoile la plus proche, sa gravité pliera également le flux lumineux, provoquant un pic. Plus de 70 planètes ont été détectées par cette méthode, mais les détections ne sont pas reproductibles.
Quelques planètes ont également été découvertes à l’aide d’autres techniques, notamment pulsar Horaire. En combinant les résultats d’observations et de relevés utilisant différentes techniques, nous sommes en mesure de construire une image représentative de la diversité des exoplanètes et des systèmes planétaires.
Se déplacer dans l’espace
Ce qui a vraiment ouvert les vannes à la découverte d’exoplanètes, c’est l’utilisation de télescopes spatiaux. En plus d’être exempts des perturbations causées par l’observation à travers l’atmosphère terrestre, les satellites offrent une visibilité directe plus continue de l’étoile cible et des observations 24 heures sur 24.
L’un des premiers télescopes spatiaux sensibles aux exoplanètes a été la mission de convection, rotation et transits planétaires dirigée par le CNES, CoRoT (2006-13). Les deux objectifs de la mission étaient de rechercher des planètes extrasolaires avec des périodes orbitales courtes (de jours voire d’heures), et de mesurer les oscillations des étoiles. En utilisant la méthode du transit, CoRoT a découvert à ce jour 37 exoplanètes, dont la première planète rocheuse confirmée (bien qu’elle soit en orbite beaucoup trop près de son étoile pour être habitable !). D’autres découvertes pourront être faites lors de l’analyse des données post-mission.
L’astrométrie est la méthode qui détecte le mouvement d’une étoile en effectuant des mesures précises de sa position dans le ciel. Cette technique peut également être utilisée pour identifier les planètes autour d’une étoile en mesurant de minuscules changements dans la position de l’étoile lorsqu’elle oscille autour du centre de masse du système planétaire. Crédit : ESA
NasaLa mission Kepler de 2009 était une machine de découverte d’exoplanètes, représentant près des trois quarts de toutes les découvertes d’exoplanètes à ce jour. Il a observé une zone fixe du ciel pendant plus de quatre ans, surveillant plus de 150 000 étoiles faibles et découvrant des milliers d’exoplanètes. Bien qu’il n’ait regardé qu’une petite zone du ciel, la multitude de découvertes a donné une indication du grand nombre d’exoplanètes qui doivent exister dans notre Galaxie.
Le dernier ajout à la flotte de chasse aux exoplanètes est le satellite Transiting Exoplanet Survey de la NASA, Tess, lancé en avril 2018. Il s’agit d’une mission dans le ciel dont l’objectif principal est de détecter de petites planètes avec des étoiles hôtes brillantes.
Bien qu’ils ne soient pas des chasseurs de planètes dédiés, les observatoires spatiaux avec des objectifs de mission complètement différents ont également contribué aux études d’exoplanètes. Par exemple, la NASA/ESA Le télescope spatial Hubble, qui a été conçu et lancé bien avant que les exoplanètes soient connues pour être courantes, peut être utilisé pour effectuer des mesures de transit et peut même discerner certains détails de l’atmosphère des planètes. De même, le télescope spatial infrarouge de la NASA Spitzer a contribué, en étudiant les changements de la lumière infrarouge pendant le transit d’une exoplanète.
La mission Gaia de l’ESA, grâce à son étude sans précédent sur tout le ciel de la position, de la luminosité et du mouvement de plus d’un milliard d’étoiles, génère une grande banque de données d’astrométrie à partir de laquelle des exoplanètes seront trouvées, soit par des changements observés dans la position d’une étoile dans le ciel en raison aux planètes en orbite autour d’elle, ou par une baisse de sa luminosité alors qu’une planète traverse son visage.
La découverte d’une exoplanète n’est que le début. Des télescopes spatiaux dédiés sont nécessaires pour suivre le catalogue sans cesse croissant et commencer à caractériser ces mondes intrigants afin de comprendre leur place dans l’Univers. À cette fin, l’ESA prévoit de lancer trois satellites dédiés aux exoplanètes au cours de la prochaine décennie, chacun abordant un aspect unique de la science des exoplanètes : Khéops, Platon et Ariel.
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