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Techniques de détection d'exoplanètes

Depuis 1995, plusieurs centaines d'exoplanètes ont été découvertes grâce à différentes techniques mise au point par les astronomes.
Je vous propose ici de les découvrir et de voir leurs capacités respectives à détecter des exoplanètes

  1. Vitesses radiales
  2. Méthode des transites
  3. Imagerie
  4. Lentille gravitationelle
  5. Astrométrie

Vitesses radiales

C'est une des méthodes la plus utilisées et qui a permis de détecter la première exoplanète.

Principe: Si un objet tourne autour d'une étoile, celle-ci va se rapprocher de nous et s'éloigner de nous périodiquement. Son spectre se décale ainsi périodiquement vers le bleu puis le rouge (effet Dopler). De ce décalage mesuré on déduit la vitesse radiale de l'étoile. La courbe ainsi obtenue montre une variation directement proportionnelle à la masse et à la distance de l'objet tournant autour de l'étoile.


Animation gif expliquant la méthode des vitesses radiales
Méthode des vitesses radiales: l'étoile sous l'influence de la planète s'éloigne et se rapproche de nous périodiquement, le spectre de l'éle se décale vers le bleu puis vers le rouge, on en déduit la vitesse radiale de l'étoile et donc la présence d'une planète.

Méthodologie: une fois cette courbe obtenue, on essai de faire passer une courbe théorique d'un astre de masse donnée tournant autour d'une étoile par les points de la courbe réelle. Si les points correspondent, on peut dire qu'il y a une seule planète, sinon on teste avec des courbes théoriques comportant plusieurs planètes.

Technique: pour réaliser cette mesure il faut utiliser un spectromètre ultra sensible. C'est à dire pouvant réaliser un spectre avec très peu de lumière et avec une résolution très grande.

Limitations: actuellement, cette technique se limite à la détection d'astre massif (Jupiter) proche de leur étoile. Moins un objet est massif et plus il est loin de son étoile et plus la vitesse radiale induite sur l'étoile est faible et donc difficile à détecter. De plus on n'obtient pas la taille de la planète. Actuellement le meilleur instrument s'appelle HARPS. Il peut détecter des planètes de quelques masses terrestres autour d'étoiles de type naines rouge.

Méthodes des transites

Cette méthode est utilisée par les télescopes spatiaux COROT et Kepler. C'est la méthode qui a permis actuellement de trouver le plus d'exoplanètes.

Principe: Si un objet massif comme une planètes passe devant son étoile, il en résulte si on se trouve dans l'axe, une baisse de luminosité de l'étoile.Cette baisse de luminosité est proportionnelle à la taille de la planète.

Méthodologie: On mesure le flux lumineux d'une étoile au cours du temps. La courbe obtenue montre un trou dans la luminosité de l'étoile. De cette courbe on déduit la taille de l'objet tournant autour ainsi que ça distance à l'étoile.


Animation gif expliquant la méthode des transites
Méthode des transites: la planète en passant devant son étoile cache une partie de sa lumière, donc sa luminosité apparente diminue d'où la courbe de lumière en cloche inversée, on en dé donc la présence d'une planète.

Technique: on utilise une caméra très sensible pouvant suivre le flux lumineux de plusieurs centaines d'étoiles en même temps au court du temps.

Limitations: Il faut observer les mêmes étoiles sur des temps importants. On ne peut pas connaître la masse de la planète.

NB: Avec un bonne caméra CCD, les astronomes amateurs arrivent à refaire les courbes de luminosité d'étoile possédant un compagnon planétaire.

Imagerie

Cette méthode demande de la haute résolution angulaire et donc l'utilisation de télescopes très grands muni d'une optique adaptative. Quelques planètes ont pu être photographiée avec cette méthode. Actuellement deux instrumentssont à la pointe dans ce domaine: GPI qui est un instrument américain sur le télescope Gemini sud au Chili et SPHERE qui est un instrument europééen sur le Télescope UT3 du VLT au Chili.

Principe: On cherche a recueillir la lumière provenant d'une exoplanète a coté d'une étoile.

Méthodologie:l'astronome utilise l'imagerie à haute résolution angulaire et des techniques de coronographie. Puis par des traitements numériques, il fait ressortir la planète.


Composition d'images du système planétaire de Beta Pictoris
Méthode de l'imagerie: par extinction de la lumière de l'étoile et l'utilisation de la haute résolution angulaire, on arrive à imager l'exoplanète. Une image du disque autour de l'étoile à été ajouté. Source: ESO; Anne-Marie Lagrange (IPAG)

Technique: pour réaliser l'image à haute résolution, on utilise l'optique adaptative pour exploiter pleinement la résolution angulaire du télescope. Ensuite l'instrument possède un coronographe pour bloquer la lumière de l'étoile et laisser passer la lumière de la planète. Enfin la caméra doit être la plus sensible possible et avoir la plus grande dynamique.

Limitation: Les petites planètes sont pour l'instant hors de portées. Les planètes proches de leurs étoiles sont aussi difficile à imager.

Lentille gravitationnelle

Technique qui est à l'origine des premières découvertes de planètes autour du pulsar PSR B1257+12.

Principe: La présence d'astre extrêmement massif entre une étoile et la terre provoque un effet loupe et d'amplification de la lumière des objets se trouvant derrière. Cela permet de voir des objets à des très grande distance.

Méthodologie:On enregistre une courbe de lumière de l'étoile. On détecte des pics de lumière résultant de l'amplification de la lumière de l'étoile passant en arrière plan.

Techniques: Avec une caméra sensible on enregistre au cours du temps la lumière d'une étoile.

Limitations: Il faut que des étoiles lumineuses en arrière plan passent dérière l'étoile visée.

Astrométrie

Comme évoqué pour les vitesses radiales, lorsqu'un astre tourne autour d'une étoile il provoque un déplacement de celle-ci. Cette technique de haute précision peut théoriquement détecter n'importe quel astre autour d'une étoile.

Principe: Si une étoile possède une planète, sa position au cours du temps varie périodiquement par rapport aux autres étoiles. Elle avance en zig-zag. La mesure de la positions relative, permet de dire s'il y a présence d'un compagnon ou non.

Méthodologie: On mesure la position d'une étoile par rapport aux autres étoiles dans le ciel en fonction du temps. Sa trajectoire dans le ciel indique ou non la présence d'une exoplanète.


Animation gif expliquant la méthode de l'astrométrie
Méthode de l'astrométrie: la planète en tournant autour de son étoile, ne permet pas à l'étoile de voyager en ligne droite, mais en zig-zag. En haut, la trajectoire de l'étoile par rapport aux autres étoiles plus lointaines. En bas une étoile sans compagnon et donc voyageant en ligne droite.

Techniques: La précision demandée est telle qu'il faut faire appel à l'interférométrie. Après avoir fait une référence de phase sur plusieurs étoiles proches de l'objet visé on regarde le décalage de phase au cours du temps. Ce décalage indique la trajectoire réelle l'étoile.

Limitations: c'est une technique demandant des précisions de mesures très grandes difficiles à mettre en œuvre. La sensibilité de l'interférométrie est encore insufisante pour obtenir des mesures sur un grand nombre d'étoile.

Interférométrie annulante

L'interférométrie consiste à combiner la lumière d'une étoile issu de plusieurs télescopes. En utilisant la fonction annulante de cette technique, on peut faire ressortir le signal d'une planète tournant autour de l'étoile visée.

Principe:Si on met en opposition de phase deux ondes lumineuses provenant de la même étoile, celle-ci vont s'annuler. La lumière provenant d'un astre situé hors axe (juste à coté) ne sera pas annulée mais ressortira nettement du signal.

Méthodologie:On réalise des franges d'interférences. On déphase un bras de l'interféromètre d'une demi longueur d'onde jusqu'à obtenir un signal nul. Typiquement on veut une extinction du signal de l'ordre de 10^-6 pour voir apparaître le signal de la planète

Techniques:Dans le domaine optique il est difficile de faire des franges d'interférences car il faut pouvoir garder la longueur de bras de l'interféromètre à quelque nanomètre près. De plus la turbulence de l'atmosphère complique la tache. Quand on veut annuler et donc mettre en opposition de phase deux ondes et avoir une bonne exctinction de la lumière , il faut aussi contrôler des paramètres comme l'intensité lumineuse issu de chaque télescope ainsi que la polarisation de la lumière. Cet ensemble de contrainte font qu'aucun instrument hormis en laboratoire n'est encore vraiment utilisé pour faire de la recherche d'exoplanètes.

Limitations: L'utilisation de l'interférométrie implique de gros moyens ainsi qu'une grande résolution angulaire. Cela induit une recherche d'exoplanète proche des étoiles.

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