Association Marseillaise d'AStronomie

Les exoplantes, d'autres mondes...

Claire Moutou (LAM, novembre 2004)

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La mthode des transits : il s'agit l de tirer profit des rares clipses provoques par le passage d'une plante sur le disque de l'toile. Cette observation ncessite le parfait alignement entre l'toile, la plante et l'observateur3 et donc il faut observer un grand nombre d'toiles afin de dcouvrir quelques uns de ces transits. Ils se manifestent par une baisse momentane de la luminosit de l'toile, pendant la dure de l'occultation par le disque de la plante. La mesure des transits fournit une estimation directe du rayon de la plante, si le rayon de l'toile est bien connu, et de la priode orbitale. On mesure le transit sur la courbe de lumire, c'est--dire l'volution temporelle de sa luminosit (Figure 5). Une plante comme 51 Pgase b pourrait produire un transit de 1% de la lumire de l'toile pendant environ 3 heures. Il faut aussi prendre en compte qu'une toile de petite taille qui passe devant le disque d'une toile beaucoup plus grosse (dans un systme d'toiles binaires) produit un transit priodique de la mme faon, et de caractristiques assez proches, et donc peut crer des cas de confusion.

Lorsqu'une plante est dcouverte par vlocimtrie, on en mesure la courbe de lumire la recherche d'un ventuel transit. Une seule plante ce jour a t dcouverte de cette faon (HD209458b). Par ailleurs, il existe des programmes d'observation qui recherchent les transits plantaires, en suivant pendant plusieurs mois les courbes de lumire de milliers d'toiles. Le programme OGLE, par exemple, a ainsi mis en vidence 4 nouvelles plantes gantes, et STARE en a dcouvert une autre. Pour ces 6 plantes, il est donc possible d'estimer prcisment la masse et le rayon, et par consquent on a une mesure de leur densit qui peut contraindre les tudes thoriques d'exoplantologie. La densit des plantes renvoie leur nature (gazeuse, terrestre ou ventuellement liquide), leur formation et leur histoire.

Dans un futur proche, deux missions spatiales seront en partie ddies la recherche de plantes par la mthode des transits : le projet europen CoRoT (lanc en 2006, figure 6) et le projet nord-amricain Kepler (2007-2008). Depuis l'espace, des plantes aussi petites que la Terre peuvent tre dcouvertes par cette mthode!

C'est donc la combinaison trs fructueuse des deux mthodes ci-dessus, vlocimtrie et transits, qui permet, la fois de confirmer la prsence d'une plante, et en mme temps de dterminer ses paramtres principaux : masse et rayon, tout cela, sans jamais apercevoir la plante !!
La mthode des transits pour rechercher les plantes
Figure 5 : La mthode des transits pour rechercher les plantes : le passage du disque noir de la plante devant l'toile produit une baisse de luminosit de l'toile qui dure quelques heures.
Le satellite CoRoT
Figure 6 : Le satellite CoRoT sera lanc dans l'espace en 2006 par une quipe europenne; une de ses missions est de dcouvrir de nouvelles plantes par la mthode des transits.
D'autres mthodes indirectes sont utilises :

-l'astromtrie, qui mesure la position d'une toile dans le ciel, par rapport aux nombreuses toiles situes plus loin ; cette position est affecte par la prsence d'une plante, d'autant plus qu'elle est massive et distante ( cause de la gravitation dans le systme toile-plante, comme en vlocimtrie). Il faut pouvoir mesurer des dplacements infimes, ce qui sera Luminosit Temps (j) possible dans quelques annes sur l'interfromtre du Very Large Telescope au Chili ou depuis l'espace (mission europenne GAIA et amricaine SIM).

-les microlentilles gravitationnelles : elles utilisent une proprit de la relativit gnrale, qui explique l'amplification temporaire de la lumire d'une toile par la prsence d'une masse invisible sur la ligne observateur-toile. Si ce corps est un systme plantaire, la signature sur la courbe de lumire de l'toile lointaine prsente des particularits lies la masse et la distance orbitale de la plante. L'inconvnient est que l'on n'observe l'vnement qu'une fois, puis le systme plantaire dcouvert retourne dans l'ombre. Mais la mthode permet d'tablir des statistiques sur le nombre de plantes (une plante connue ce jour).

-le chronomtrage des pulsars. Les pulsars sont des rsidus d'toiles trs massives, qui ont explos et dont le noyau tourne sur lui-mme trs grande vitesse (un tour en quelques millimes de seconde !) en mettant de l'nergie par intermittence (comme un phare sur la mer). La mthode consiste observer le temps d'arrive du faisceau lumineux mis par un pulsar, en principe extrmement rgulier. Si une plante est prsente autour du pulsar, ce temps d'arrive est priodiquement retard. Cinq plantes ont t dcouvertes ainsi ; il reste comprendre comment elles peuvent rsister la puissance mise par le pulsar, et si elles se sont formes aprs l'explosion de l'toile ou bien ont t captures.

Enfin, les premiers espoirs de dtection directe des plantes se profilent un horizon assez proche ; d'ici 2010, nous aurons dcouvert des plantes semblables Jupiter autour d'toiles semblables au soleil, par une observation directe de leur lumire, malgr le contraste et la faible distance angulaire sparant l'toile et la plante (Figure 7). Jupiter ou la Terre sont un milliard de fois moins lumineuses que le Soleil dans les longueurs d'onde visibles. Les plantes telles que Jupiter au moment de leur formation sont beaucoup plus lumineuses (en particulier dans les longueurs d'onde infrarouges) car elles sont encore en phase de refroidissement et mettent de l'nergie ; le contraste n'est plus que d'un million, et donc la porte des prochaines camras qui quiperont les grands tlescopes. Ces observations des premiers ges des plantes gantes sont trs importantes pour connatre les conditions de formation de ces plantes et pour comprendre dans quels cas leur migration vers l'toile se produit.
la sparation angulaire (une seconde d'arcest l'angle sous lequel on voit la distance Terre-Soleil  3.26 annes-lumire) Spectre du soleil et de la Terre
Figure 7 : Les difficults de la dtection directe de plantes extrasolaires : gauche, la sparation angulaire (une seconde d'arc (") est l'angle sous lequel on voit la distance Terre-Soleil 3.26 annes-lumire). A droite, le contraste entre le spectre du Soleil et le spectre de la Terre (flux en fonction de la longueur d'onde): partir de 10 microns dans l'infrarouge, le contraste devient moins dfavorable (quelques millions contre quelques milliards 1 micron).
Mthode Jupiter Terre 51 Pegase b Expriences
Vitesses radiales
amplitude
priodicit

12 m/s
12 ans

10 cm/s
1 an

100 m/s
4 jours
ELODIE
SOPHIE
HARPS
Transit :
profondeur
probabilit
priodicit
dure

1 %
0.1%
12 ans
30 heures

0.01 %
0.5 %
1 an
13 heures

1 %
10%
4 jours
3 heures
OGLE
STARE
CoRoT
Kepler
Imagerie :
contraste
distance angulaire

1.5 milliard
0.5" 32 a.-l.

10 milliards
0.1 "

6 millions
0.05 "
VLT-NACO
HST
VLT-PF
JWST
Astromtrie :
amplitude

0.5'' ( 32 a.-l.)

0.01'' ( 32 a.-l.)

0.005'' ( 32 a.-l.)
VLT-PRIMA
GAIA
SIM
Tableau comparatif des paramtres observs pour trois types de plantes (autour d'une toile semblable au soleil): Jupiter, la Terre et 51 Pgase b, le prototype des Jupiters chauds. A droite , le nom des principaux instruments scientifiques qui jouent ou joueront un rle ; cette liste non exhaustive contient principalement les expriences accessibles aux europens.
Note 3
Noter la similarit au phnomne qui a pu tre observ cette anne : le passage de Vnus devant le disque solaire ; cet vnement ncessite aussi l'alignement parfait entre la Terre, la plante et l'toile, et permet d'illustrer la difficult de l'observation, cause du trs faible contraste de la plante sur le disque de son toile.