Il y a tout juste vingt ans, la découverte de la première planète orbitant autour d’une autre étoile semblable au Soleil a été annoncée, et nous sommes entrés dans l'”ère des exoplanètes”. Dans les années qui ont suivi, d’autres planètes de ce type ont été découvertes. D’abord au compte-gouttes, puis en masse.
Cette croissance explosive a culminé avec une annonce étonnante faite en mai dernier par l’équipe scientifique de Kepler. 1 284 exoplanètes supplémentaires ont été ajoutées au catalogue. En conséquence, plus de 3 000 autres mondes ont maintenant été découverts.
Malgré ces succès, il est difficile de trouver des planètes. À quelques exceptions près, nous ne pouvons pas les voir directement. Même avec les télescopes les plus grands et les plus puissants, elles restent perdues dans l’éclat de leurs étoiles hôtes. Au lieu de cela, les astronomes doivent devenir des détectives et chercher des indices qui révèlent la présence de mondes invisibles.
Le nombre de planètes connues autour d’autres étoiles a explosé ces dernières années, notamment grâce à l’étonnante réussite de la sonde Kepler. NASA Ames/W Stenzel, Université de Princeton/T Morton
Trouvez-moi une planète : les étoiles vacillantes
La plupart des exoplanètes découvertes à ce jour l’ont été grâce à deux méthodes clés : soit en observant les étoiles pour voir si elles vacillent, soit en regardant si elles clignotent. Au cours de la première décennie de l’ère des exoplanètes, la technique la plus fructueuse était la méthode des vitesses radiales.
Dans cette méthode, les astronomes prennent la lumière d’une étoile et la décomposent en ses différentes couleurs. Ce spectre est traversé par des lignes sombres, qui sont les empreintes digitales des atomes et des molécules qui composent l’atmosphère externe de l’étoile. L’emplacement de ces lignes d’absorption est connu avec une précision exquise et doit se produire à une longueur d’onde spécifique.
Cependant, si l’étoile se déplace vers nous, nous observons que les raies sont légèrement décalées vers le bleu, et si elle s’éloigne, elles sont décalées vers le rouge. Plus le mouvement est rapide, plus le décalage est important. Cela nous donne un outil qui nous permet de trouver des planètes.
Si une étoile a un compagnon (que ce soit une planète, une naine brune ou une étoile), les deux gravitent autour de leur centre de masse commun. Le plus gros objet suivra le chemin le plus court, et le plus petit, le plus long.
Ainsi, une étoile avec un compagnon se déplace d’avant en arrière, avec une oscillation complète par orbite. Comme l’étoile et son compagnon se trouvent de part et d’autre de leur centre de masse, la période d’oscillation de l’étoile correspond au temps que met son compagnon pour effectuer un tour complet.
Plus l’orbite du compagnon est proche, plus sa période sera courte et plus l’oscillation sera rapide. Plus le compagnon est massif, plus l’amplitude de l’oscillation est grande. Ainsi, en suivant l’oscillation d’une étoile, nous pouvons déterminer la période orbitale et la distance d’une planète, et obtenir une estimation de sa masse.
Bien sûr, cela n’est pas sans limites. La surface des étoiles est turbulente, elle monte et descend comme de l’eau bouillante, et est parsemée de taches et d’imperfections. Celles-ci introduisent du bruit dans les spectres, masquant souvent les minuscules signaux d’une oscillation induite par une planète.
Et ces oscillations sont minuscules. Pour qu’un observateur extraterrestre puisse détecter la Terre, il devrait être capable de mesurer la variation de la vitesse du Soleil d’un peu moins de 10 cm/s (0,1 m/s), au cours d’une année. Un Jupiter chaud, en revanche, induirait une oscillation bien plus importante sur une étoile semblable au Soleil, de plus de 50m/s.
Pour aggraver les choses, plus la période orbitale est longue, plus il faudra observer longtemps pour capter au moins une oscillation complète, afin d’être sûr d’avoir une planète. C’est pourquoi la technique de la vitesse radiale nécessite une combustion lente, en suivant quelques étoiles individuelles pour observer des oscillations qui peuvent prendre des années, voire des décennies, à se réaliser.
Trouvez-moi une planète : des étoiles qui clignotent
Illustration de la méthode de transit utilisée pour découvrir des exoplanètes. NASA
Ces dernières années, la méthode du transit s’est imposée comme le moyen le plus efficace de trouver des exoplanètes. Dans ce cas, les astronomes surveillent attentivement la luminosité de milliers d’étoiles, à la recherche du clin d’œil qui se produit lorsqu’une planète passe directement entre son étoile hôte et nous.
Un transit ne se produit que si l’orientation de l’orbite d’une planète est parfaite, ce qui fait qu’elle passe devant son étoile à chaque orbite. Plus la planète est proche de son étoile, plus cette configuration parfaite est probable. Par conséquent, cette technique a tendance à trouver des planètes à courte période.
Malgré ce défaut, la méthode s’est avérée extrêmement productive, avec plus de 2 500 planètes découvertes à ce jour.
Comme pour les observations de la vitesse radiale, la technique des transits nous permet d’en apprendre un peu plus sur les planètes qu’elle révèle. En observant plusieurs transits, nous pouvons déterminer la période orbitale d’une planète et donc sa distance par rapport à son hôte.
En mesurant la fraction de la lumière de l’hôte bloquée pendant un transit, nous pouvons déterminer la taille physique de la planète (par rapport à l’étoile). Les plus grosses planètes bloquent plus de lumière que les petites.
Pour cette raison, la technique a également tendance à trouver des planètes plus grosses – leurs transits sont plus faciles à repérer dans le bruit de l’activité de l’étoile.
Nous pouvons également déterminer, à partir des transits, l’inclinaison de l’orbite de la planète par rapport à notre ligne de visée. Cette information est particulièrement utile si nous souhaitons donner suite à la découverte pour en apprendre davantage sur la planète par d’autres moyens.
Clins d’œil et oscillations : 97 pour cent. Et les 3 % restants ?
Sur les quelque 3 300 exoplanètes connues à ce jour par la NASA, 3 170 ont été découvertes par la technique de la vitesse radiale ou du transit. Mais qu’en est-il des autres ?
Si la technique de la vitesse radiale et la méthode du transit ont dominé la découverte d’exoplanètes, elles ne sont pas les seuls outils utilisés. Les 3 % restants de planètes connues ont été découverts par divers moyens allant de l’imagerie directe à l’utilisation d’une des bizarreries de la relativité générale.
La recherche de planètes autour d’autres systèmes stellaires se poursuit depuis des décennies et les résultats ne cessent d’affluer. Dans notre prochain article, nous décrirons d’autres méthodes qui ont contribué à compléter notre catalogue actuel d’exoplanètes, et nous discuterons de l’avenir de notre recherche d’autres mondes.