Comment les astronomes trouvent-ils des exoplanètes ? 5 meilleures méthodes expliquées

21 marsLa NASA a annoncé la confirmation de la 5000e planète en dehors de notre système solaire. Les scientifiques ont beaucoup à explorer, des géantes de gaz brûlantes nichant près de leur étoile mère aux mondes rocheux qui peuvent avoir de l’eau à leur surface.

Mais trouver ces nouveaux mondes étranges est une science en soi. Nous n’avons finalement pu identifier de planètes qu’en quelques décennies seulement, et même à cette distance, il est difficile de détecter un si petit objet même avec les télescopes les plus puissants.

Inversement proportionnel s’est entretenu avec Marie-Eve Naud, chercheuse en exoplanètes et coordonnatrice de l’information à l’Institut de recherche sur les exoplanètes de l’Université de Montréal, pour nous en dire plus sur la façon dont les astronomes trouvent ces mondes et les considérations pour chaque méthode. Bien qu’il existe de nombreuses méthodes, les méthodes citées ci-dessous sont les plus courantes.

Les planètes peuvent provoquer des mini-ombres pour indiquer leur présence aux observateurs de la Terre. Nasa

Mode de transit

Les astronomes ont trouvé la plupart des exoplanètes connues en utilisant une méthode de transit qui a été démontrée pour la première fois en 1999 pour confirmer l’existence de la planète HD 209458b. Lancé en 2009 par la NASA, le télescope spatial Kepler a détecté des milliers de planètes à un endroit précis près de la constellation du Cygne. Au fur et à mesure que les planètes se déplaçaient sur la face de leur étoile, elles réduisaient légèrement la lumière des étoiles. Ces changements dans les niveaux de lumière peuvent être détectés avec des instruments appelés photomètres.

Pour que cette méthode fonctionne, les astronomes doivent détecter un petit changement dans la luminosité naturelle de l’étoile (luminosité), souvent inférieure à un pour cent. Dans l’espace, cela est plus facile à réaliser en raison de l’absence d’atmosphère interférente, et c’est la méthode préférée pour des missions telles que le satellite exoplanète de l’Agence spatiale européenne (Cheops) et le satellite de recherche sur les exoplanètes en transit (TESS) de la NASA.

Naud a averti que plusieurs détections étaient nécessaires, ce qui signifie que la planète devait être vue sur plusieurs orbites pour s’assurer que la gradation de la lumière n’était pas causée par des taches solaires ou de la poussière. “Vous attendez généralement d’avoir vu deux ou trois transits”, a-t-il dit, soulignant que les astronomes veulent beaucoup de données de la méthode de transit avant de confirmer l’existence de la planète.

Une fois qu’une planète est identifiée, les astronomes peuvent estimer son rayon. Les astronomes doivent trouver la masse séparément (souvent en utilisant la méthode de vitesse radiale décrite ci-dessous). Si les astronomes peuvent déterminer la masse et le rayon d’une planète, ils peuvent déterminer si elle est susceptible d’être rocheuse ou gazeuse, ce qui aura un impact significatif sur la vie.

S’ils trouvent que la planète est rocheuse et se trouve dans la zone d’une étoile mère, qui peut contenir de l’eau, par exemple, ils peuvent la considérer comme habitable. Mais il y a des complications, comme si la planète est proche de l’étoile souvent en éruption en tant que naine rouge. Les éruptions continues sèment des radiations partout dans le monde et mettent en danger les microbes émergents. Par conséquent, les astronomes ne savent pas si TRAPPIST-1, par exemple, héberge des exoplanètes habitables, bien que les astronomes aient trouvé sept tailles de Terre dans ce système, et certaines d’entre elles se trouvent dans une zone habitable.

Certaines planètes nous sont invisibles, et nous devons confirmer leur existence par d’autres moyens, y compris leur remorqueur gravitationnel. Nasa

Méthode de vitesse radiale

La vitesse radiale est un moyen courant de trouver des planètes, en particulier dans des observatoires tels que le détecteur de planètes à vitesse radiale de haute précision (HARPS) du télescope de 3,6 m de La Silla au Chili.

“Nous disons souvent que la planète tourne autour d’une étoile, mais en fait, les deux objets sont basés autour de leur centre de masse”, a expliqué Naud. “Cette étoile bouge un peu quand elle a une planète. Si elle en a beaucoup, elle a un mouvement difficile.

La clé est de regarder le spectre de l’étoile. Lorsque l’étoile se dirige vers nous, sa lumière est compressée et le spectre se décale vers le rouge. Lorsque l’étoile s’éloigne, sa lumière s’étire et les spectres passent au bleu. Le spectre de l’étoile est légèrement affecté par le mouvement de la planète, le transformant en “code barre”, a expliqué Naud.

La planète autour de l’étoile semblable au soleil a été identifiée pour la première fois par cette méthode en 1995, lorsque Didier Queloz et Michel Mayor ont publié leurs découvertes dans la 51e année de naissance de Pegasus. Cependant, ce n’était pas la première découverte de la planète – en 1992, deux cas ont été signalés autour du pulsar PSR B1257 + 12, la troisième planète a été confirmée en 1994. Les astronomes Aleksander Wolszczan et Dale Frail ont identifié des planètes grâce à des changements alternés dans la radio pulsar. un signal correspondant à une planète en orbite autour d’un pulsar. Il vous montre les différents outils scientifiques que nous utilisons pour trouver différents mondes.

Le système HR 8799 capture directement quatre planètes – toutes plus massives que Jupiter. Jason Wang (Caltech) / Christian Marois (NRC Herzberg)

Prise de vue directe

L’imagerie directe permet aux scientifiques de supprimer la lumière des étoiles pour voir directement les exoplanètes. Vous pensez peut-être que c’est une méthode facile, mais c’est plus compliqué qu’il n’y paraît. Cependant, étant donné que ces planètes sont assez petites et ont relativement peu de lumière réfléchie pour le télescope, il est difficile pour les astronomes de réaliser cette technique avec la technologie actuelle des télescopes. Par conséquent, les astronomes ont jusqu’à présent trouvé environ 60 planètes avec cette technique.

Cependant, il y a des avantages : “C’est la seule méthode qui permet l’identification directe des exoplanètes”, a déclaré Naud. Bien que ces planètes soient maintenant des points de lumière, nous verrons peut-être plus de détails sur leur atmosphère et leurs surfaces dans un avenir lointain.

Aujourd’hui, les scientifiques disposent de deux méthodes principales pour l’imagerie directe. La première, la coronographie, bloque la lumière de la couche la plus externe (ou couronne) d’une étoile, en utilisant un dispositif à l’intérieur du télescope appelé coronographe pour créer une éclipse artificielle afin d’identifier les planètes.

Par exemple, le Gemini Planet Imager du Canada est monté sur un télescope de 8,1 mètres à l’observatoire sud de Gemini à Cerro Pachoni, au Chili. À l’aide d’un graphique corona, il a trouvé le premier “jeune Jupiter” connu en août 2015, 51 Eri b. (Naud a déclaré que le GPI est considéré comme un pionnier de la photographie en direct.)

Une autre méthode est un starburst, qui bloque la lumière de l’étoile avant qu’elle ne se déplace à l’intérieur du télescope. Les exoplanètes doivent être un vaisseau spatial séparé du télescope pour assurer leur distance et leur angle corrects afin de bloquer efficacement la lumière des étoiles, contrairement aux ombres utilisées pour protéger notre étoile de la lumière, comme celles construites sur le télescope spatial James Webb. À ce jour, le parapluie n’a pas volé dans l’espace.

Hubble a repéré des exoplanètes à microlentilles – et le télescope spatial James Webb peut faire de même.Nasa

Microlentille gravitationnelle

Bien que les astronomes aient découvert une minorité significative de planètes à l’aide de microlentilles (plus de 130 au moment de la rédaction), il est difficile d’observer les observations. Le problème est que nous ne voyons souvent ces mondes qu’une seule fois. C’est parce qu’ils utilisent un phénomène décrit pour la première fois par Einstein, où un grand objet de premier plan (comme une étoile ou une galaxie) plie la lumière d’un objet beaucoup plus petit vers l’arrière. Parce que ces alignements dans le ciel sont courts et imprévisibles, cela signifie souvent que nous ne pouvons pas réexaminer une planète particulière.

“C’est un peu frustrant car cela se produit une fois que vous avez un alignement parfait avec l’objet d’arrière-plan”, a déclaré Naud, avertissant qu’il est difficile de mettre en place un travail pour de futures recherches, “car nous ne l’avons vu qu’une seule fois”.

L’alignement change légèrement lorsque la planète, qui a sa propre gravité, intervient. La gravité de la planète ajoute une lentille supplémentaire à la lumière de l’étoile, éclairant l’image de l’étoile d’arrière-plan et permettant aux astronomes d’en apprendre beaucoup sur la planète, y compris sa masse et sa période orbitale, quelle que soit la nature éphémère de l’événement.

Les astronomes ont découvert la planète pour la première fois en 2003 en utilisant cette méthode. La détection a été combinée avec les capacités du Polish Optical Gravity Lens Test (OGLE), qui étudie la variabilité des étoiles, en utilisant des observations de microlentilles japonaises / néo-zélandaises en astrophysique (MOA). L’événement de microlentille est connu sous le nom de 2003-BLG-235 et était probablement une planète de 1,5 fois la masse de Jupiter.

La planète avec la microlentille fixe la plus éloignée est MOA-2011-BLG-291L b, située à 28 700 années-lumière. Cependant, il existe des preuves circonstancielles pour les planètes en dehors de notre galaxie, mais parce que les événements de microlentilles sont si éphémères, il est impossible de les confirmer.

L’astrométrie est basée sur les changements de position de l’étoile causés par la planète. Agence spatiale européenne

Astrométrie

L’astrométrie surveille le déplacement d’une étoile causé par une exoplanète en orbite. Comme les étoiles et leurs planètes tournent autour du centre du bar, les astronomes peuvent utiliser des instruments de haute précision pour détecter les fluctuations de l’étoile causées par la planète. La technique est assez complexe car elle repose sur des observations encore plus précises que la vitesse radiale et a été la source de plusieurs affirmations controversées.

Le tristement célèbre exemple de la difficulté de l’astrométrie à découvrir des exoplanètes remonte à 1963. Peter van de Kamp, astronome au Swarthmore College, a annoncé qu’il avait trouvé une planète autour de l’étoile de Barnard à l’observatoire Sproul à l’aide d’un réfracteur Swarthmore de 24 pouces. Il s’est avéré que le réglage du miroir primaire du télescope a donné un faux signal et aucune exoplanète.

La mission Gaia de l’Agence spatiale européenne, qui cartographie avec précision les emplacements des étoiles depuis l’espace, devrait utiliser l’astrométrie pour rechercher des exoplanètes. La prochaine version, attendue plus tard cette année, pourrait inclure les premières observations astrométriques d’exoplanètes.

Les archives d’exoplanètes de la NASA ne répertorient qu’une seule planète trouvée par astrométrie : DENIS-P J082303.1-491201b, également connue sous le nom de VB 10b. Parce que la planète (ou la naine brune, selon la source étudiée) n’apparaissait pas dans les observations de vitesse radiale, la Planetary Society a déclaré que “la plupart des scientifiques considèrent qu’il s’agit d’un autre faux positif”. En effet, les scientifiques préfèrent faire au moins deux observations planétaires pour confirmer son existence.

L’avenir de la chasse aux exoplanètes

Bien que des variations sur les méthodes ci-dessus soient susceptibles d’être utilisées pour identifier le futur proche des planètes, quelques idées supplémentaires peuvent nous permettre d’examiner d’autres mondes plus en détail. Une idée, par exemple, est d’utiliser le Soleil comme lentille gravitationnelle. Cependant, pour être efficace, le vaisseau spatial doit parcourir 550 distances entre le Soleil et la Terre, sept ou huit fois plus loin que le vaisseau spatial Voyager depuis la Terre.

Sur place, les scientifiques attendent avec impatience les premières lueurs de l’Extremely Large Telescope de l’Observatoire européen, qui devrait observer directement certaines planètes et mieux caractériser leur atmosphère. Le démarrage des travaux est prévu en 2027.

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