Grand Oral – Physique-Chimie Problématique : Quels sont les moyens à notre disposition pour détecter une exoplanète et que peut-on apprendre sur celle-ci ?

« Grand Oral – Physique-Chimie Problématique : Quels sont les moyens à notre disposition pour détecter une exoplanète et que peut-on apprendre sur celle-ci ? Introduction "Depuis des millénaires, l’humanité observe le ciel en se demandant : sommes-nous seuls dans l’univers ? C’est seulement en 1995 que la première exoplanète a été découverte, ouvrant une nouvelle ère de l’astronomie.

Depuis quelques dizaines d'années, les astronomes ont été en mesure de détecter des milliers de planètes en dehors du Système solaire.

Nous connaissons maintenant plus de 5000 exoplanètes et ce nombre ne cesse de croître!" Une exoplanète est une planète qui se trouve dans un autre système solaire que le nôtre.

Elles sont en orbite autour d'une étoile autre que le Soleil.

En effet, les autres étoiles peuvent aussi avoir des planètes en orbite, tout comme les huit planètes du Système solaire. Les exoplanètes sont encore plus diversifiées.

Voici quelques-uns des types découverts.  Jupiters chaudes : Il s'agit de planètes géantes gazeuses comme Jupiter, mais avec une différence importante – elles sont très proches de leur étoile, encore plus proche que Mercure l'est du Soleil.  Mini-Neptunes et super-Terres : C'est le type le plus commun d'exoplanètes observées par les chercheurs.

Il peut s'agir de planètes gazeuses plus petites que Neptune ou de planètes telluriques de taille énorme.  Mondes océaniques : Ce sont des planètes constituées d'un noyau rocheux complètement recouvert d'un vaste océan liquide de plusieurs centaines de kilomètres de profondeur.  Mondes rocheux : Ces planètes s'apparentent à la Terre ou à Mars.

Elles ont une surface solide et peuvent ou non avoir de petits océans ou une atmosphère. De plus, d'après les astronomes, plus de 50 % des étoiles ont probablement au moins une planète "Mais comment peut-on détecter un objet aussi petit et éloigné qu’une exoplanète, invisible même pour nos meilleurs télescopes ? C’est ce que nous allons explorer ensemble." "Nous verrons d’abord les méthodes actuelles de détection des exoplanètes, avant de nous intéresser à ce que ces méthodes permettent de découvrir sur leur composition et leur environnement." Les chercheurs sont capables de prendre des images extraordinaires des planètes du Système solaire au moyen de télescopes puissants et de sondes spatiales.

Cependant, les exoplanètes sont beaucoup plus difficiles à observer directement : elles sont en orbite autour d'étoiles lointaines et, de plus, elles se trouvent souvent proches de leur étoile très brillante.

Les astronomes doivent alors les détecter indirectement en observant l'effet qu'elles ont sur leur étoile. I.

Les différentes méthodes de détection d’exoplanètes A.

La méthode du transit  Principe : Les astronomes peuvent détecter ces exoplanètes en observant cette diminution de la luminosité de l'étoile.

Certaines missions spatiales, comme celle du télescope spatial Kepler de la NASA, sont destinées à ce type d'observation, sur des centaines de milliers d'étoiles.

En se basant sur la fréquence des variations lumineuses, les scientifiques peuvent déterminer la taille et la période orbitale des exoplanètes. Trois quarts des exoplanètes connues ont été découvertes au moyen de la méthode du transit. Données obtenues : o Taille de la planète (via la profondeur de la baisse de lumière). o Période orbitale (temps entre deux transits). Exemple : La diminution de flux due au passage de la planète est facile a  Limites : nécessite un alignement précis ; pas toujours possible.   calculer, c’est simplement le rapport des surfaces apparentes de la planète et de 1 étoile: AF = (Rp/R*)2, où Rp est le rayon de la planète.

Si Ton dispose d’une estimation du rayon de l’étoile, on va donc pouvoir en déduire le rayon de la planète.

Exemple de l’exoplanète HD 209458 b : La profondeur du transit est d'environ 1,5 % B.

La méthode des vitesses radiales (effet Doppler-Fizeau) Principe : Une planète suit son orbite sous l'effet de l'attraction gravitationnelle de son étoile. Mais saviez-vous que les étoiles se déplacent aussi légèrement – ou oscillent – sous l'effet gravitationnel de leurs planètes? L'oscillation d'une étoile est minuscule comparativement à l'orbite d'une planète puisque les étoiles sont beaucoup plus grosses que les planètes.

Malgré cela, les instruments des télescopes modernes sont maintenant assez sensibles pour mesurer cette oscillation. La première exoplanète détectée autour d'une étoile semblable au Soleil, 51 Pegasi b, a été découverte en 1995 au moyen de la méthode des vitesses radiales.

En voici le principe : quand une étoile oscille en raison de la présence d'une ou plusieurs planètes, elle s'éloigne et se rapproche du télescope, ce qui a un effet sur la lumière qu'on observe.

Les scientifiques peuvent calculer la vitesse d'oscillation de l'étoile en mesurant le décalage du spectre lumineux grâce à l’effet doppler : Vous avez certainement déjà remarqué qu'une ambulance n'a pas le même son selon qu'elle se rapproche ou s'éloigne.

Ce phénomène, c'est l'effet Doppler.

Quand l'ambulance se rapproche, les ondes sonores produites par la sirène sont comprimées : on entend un son plus aigu que le son véritable.

Quand l'ambulance s'éloigne, les ondes sonores sont étirées, ce qui rend le son plus grave à nos oreilles.

Les ondes électromagnétiques peuvent subir le même effet.

Un objet semblera plus bleu en se rapprochant (les ondes électromagnétiques étant comprimées) et plus rouge en s'éloignant (les ondes électromagnétiques étant étirées).

C'est ce qu'on appelle le décalage vers le bleu et le décalage vers le rouge.  Données obtenues : o Masse minimale de la planète. o Distance planète-étoile (via la période). C.

Autres méthodes complémentaires (plus rapidement présentées)  Imagerie directe :Les exoplanètes sont très difficiles à photographier en raison de leur immense distance de la Terre et de leur petite taille.

Chose certaine, on ne peut pas obtenir le niveau de détail auquel on est maintenant habitués pour les images des planètes et des astéroïdes du Système solaire.

Pour pouvoir obtenir des images d'un système exoplanétaire directement, les scientifiques bloquent la lumière de l'étoile centrale dont l'éclat empêcherait d'observer les planètes.

Capter directement des images des planètes est plus facile si elles sont relativement éloignées de leur étoile ou si le système exoplanétaire est jeune puisque les jeunes planètes sont plus brillantes, donc plus faciles à repérer.

Des astronomes ont même pu observer directement des planètes en cours de formation ! L'imagerie directe compte son lot de défis – distance, éblouissement de l'étoile, petite taille de la planète.

Voilà pourquoi la plupart des images d'exoplanètes dans les médias populaires sont des vues d'artiste.

Celles-ci permettent au moins de montrer ce à quoi pourraient ressembler ces mondes éloignés.

L'imagerie directe n'a été possible que pour très peu d'exoplanètes.

En 2008, une équipe d'astronomes canadiens a été la première à obtenir des images directes d'un système de plusieurs planètes, celui de l'étoile HR 8799. Microlentille gravitationnelle : La microlentille gravitationnelle permet de détecter des exoplanètes très éloignées, y compris celles qui ne transitent.... »