Au vu de la difficulté d'observer directement une exoplanète, d'autres méthodes peuvent être envisagées, qui vont chercher à observer le mouvement induit par la planète sur son étoile.
On présente souvent les lois de Kepler en disant que l'orbite d'une planète est une ellipse dont son étoile occupe l'un des foyers. Mais l'on pourrait tout aussi bien dire que le couple étoile-planète tourne autour du centre de gravité de ce système. Certes, la masse de l'étoile étant beaucoup plus grande que celle de la planète, ce centre de gravité sera très proche du centre de l'étoile, mais pas tout à fait. Et ce "pas tout à fait" a ici une importance cruciale, car il fait que l'étoile a elle aussi un mouvement, décrivant une petite orbite autour du centre de gravité de son système.
Ainsi, pour une planète de masse Mpl dont l'orbite autour de son étoile de masse M* est une ellipse de demi-grand axe a, le mouvement de l'étoile autour du centre de gravité du système est une ellipse de demi-grand axe a* :
Dans le cas simplifié où la planète est sur orbite circulaire, est constant et il en est donc de même de a* de sorte que l'étoile suit une trajectoire circulaire autour du centre de masse.
La période orbitale de l'étoile sera la même que celle de la planète et est donnée par la 3ème loi de Kepler :
où est la constante de la gravitation,
Du fait de la faible masse de la planète, le mouvement de l'étoile est très limité, mais il peut cependant s'observer, et ce de trois manières différentes :
Cette méthode, même si elle n'est pas la plus simple dans son principe, est la première à avoir permis la découverte d'une exoplanète autour d'une étoile de type solaire en 1995. Elle a été pendant plusieurs années la méthode par laquelle la quasi-totalité des exoplanètes était trouvée. Même si aujourd'hui beaucoup d'autres méthodes moissonnent avec succès de nouvelles planètes, il n'en reste pas moins que plus de 2/3 des exoplanètes découvertes à ce jour l'ont été par la méthode des vitesses radiales.
Le principe de cette méthode est de détecter le mouvement d'une étoile en observant l'effet Doppler sur la lumière qui nous en provient. Quand l'étoile a un mouvement qui la fait se rapprocher de nous, sa lumière est décalée vers le bleu, alors qu'elle est décalée vers le rouge quand elle s'éloigne. L'amplitude de ces décalages est proportionnelle à la vitesse de l'étoile. Dans le cas simplifié où l'orbite de l'étoile (due à une planète) est parfaitement circulaire, la vitesse VR à laquelle elle s'éloigne ou se rapproche de nous varie en fonction du temps suivant :
où K est l'amplitude de la variation de , donnée par :
où i est l'angle entre la ligne de visée de l'observateur et la perpendiculaire au plan de l'orbite de la planète. L'effet Doppler est maximum quand cet angle est égal à 90°, c'est-à-dire quand on regarde l'orbite "par la tranche". Quand i est nul, la vitesse de l'étoile n'a pas de composante radiale. Dans ce cas, même si une planète est présente, cette méthode ne permet pas de la détecter.
L'amplitude de l'effet Doppler induit par le mouvement de l'étoile est de l'ordre de K/c, où c est la vitesse de la lumière, c'est-à-dire de quelques m/s (la vitesse d'un homme qui court !) divisés par 300 000 km/s ! (voir ce petit exercice, pour calculer cet effet pour la Terre et pour Jupiter). Il s'agit donc de mesurer des effets extrêmements fins. A l'heure actuelle, on peut détecter des vitesses radiales de l'ordre de ∼0.5 m/s, c'est-à-dire qu'une "exo Terre" est presque à notre portée.
On voit que cette méthode favorise la détection de planètes massives et proches de leur étoile, car l'amplitude K est directement proportionnelle à Mpl et inversement proportionnelle à . Et de fait, les premières planètes détectées par effet Doppler étaient des "Jupiter chaud", c'est-à-dire des planètes de la masse de Jupiter mais situées extrêmement près de leur étoile (plus près que Mercure). Le plus célèbre de ces Jupiter chaud est la planète 51 Pégase b, la toute première à avoir été détectée.
Depuis 1995, quantité d'autres exoplanètes ont été découvertes par cette méthode. Et si initiallement la plupart d'entre elles étaient des Jupiter chaud (car ce sont les plus faciles à détecter), celles découvertes aujourd'hui sont de tout type : "Jupiter froid", "Neptune-chaud", "super-Terre", etc. Voir l'Encyclopédie des planètes extrasolaires pour une liste actualisée de toutes les exoplanètes découvertes par effet Doppler.
Difficulté : ☆☆☆
Sachant que l'Unité Astronomique (UA) vaut m, et que la masse du Soleil est de kg, quelle est l'amplitude K de variation de la vitesse d'une étoile de 1 masse solaire pour :
L'astrométrie consiste à mesurer un autre effet induit par la planète sur son étoile, non plus ses variations de vitesse (comme pour la méthode Doppler), mais les variations de sa position apparente sur le fond du ciel par rapport aux autres étoiles.
Cette méthode relève vraiment du défi, car par exemple, le mouvement induit par Jupiter sur le Soleil vu depuis l'étoile la plus proche (4 années-lumière) n'est que de 0.004" (environ 0.000001 degré !), soit beaucoup moins que la résolution des télescopes au sol les plus performants. La seule solution est de réaliser des observations ultra-précises sur des intervales de temps très longs, ou bien d'utiliser des télescopes spatiaux.
Cette méthode n'a, pour l'instant, pas encore porté ses fruits : elle a permis l'observation de planètes déjà détectées par d'autres méthodes mais encore pas la découverte de nouveaux objets. Cela devrait changer avec l'observatoire spatial européen GAIA.
On peut aussi mesurer une autre conséquence indirecte de la présence d'une planète : la variation de la distance entre l'étoile et l'observateur. La meilleure méthode pour mesurer cette variation est de mesurer la variation de temps que met la lumière à nous parvenir de l'étoile. A chaque instant cette variation est donnée par :
Pour mesurer cette variation le plus simple est de mesurer les variations de temps d'arrivée d'un signal périodique. est alors le retard ou l'avance de l'instant d'arrivée du signal par rapport à un instant "nominal" (sans perturbation). Tout le problème est d'avoir à sa dispostion un système stellaire possédant un tel signal périodique. On connaît 2 types de systèmes possédants de tels signaux :
C'est la méthode qui a actuellement le "vent en poupe". Son principe est simple : si on a la chance d'observer un système étoile-planète exactement "par la tranche", alors on peut assister à un transit de la planète devant son étoile. Lors de ce transit une petite fraction de la lumière stellaire est cachée par la planète et donc le signal lumineux en provenance de l'étoile chute légèrement le temps du transit (voir Figure).
La chute de luminosité est de l'ordre de (Rpl/R*)2, où Rpl est le rayon de la planète et R* celui de l'étoile. L'effet est certes petit, mais il est bien plus important que le rapport de luminosité directe entre la planète et l'étoile, qui est lui de l'ordre de (Rpl/d)2, où d est cette fois-ci la distance de la planète à l'étoile (voir exercice page suivante).
Difficulté : ☆
Quelle est la chute de luminosité relative induite par la Terre (rayon de 6400 km) sur le Soleil (rayon de 700 000 km) si on pouvait l'observer en transit ?
Même question pour un transit de Jupiter (rayon polaire de 66 000 km et rayon équatorial de 71 000 km).
La principale difficulté de cette méthode n'est pas tant l'amplitude de l'effet à mesurer que le fait qu'il faut une situation très favorable et a priori peu probable pour voir un transit, à savoir être exactement aligné avec l'orbite planétaire (voir exercice page suivante). De ce fait, la solution est de réaliser un très grand nombre d'observations d'étoiles, pour être sûr d'avoir au moins une chance d'être dans une configuration favorable.
Le premier transit planétaire a été observé en 1999, et depuis lors, plus de 2000 planètes ont été observées par cette méthode. Le rythme de détection s'est très fortement accéléré ces dernières années, avec l'arrivée du télescope spatial français COROT et du télescope KEPLER de la NASA, tous deux dédiés à ce type d'observations.
Difficulté : ☆☆
Vous êtes sur la lointaine planète RX92 et vous cherchez des exoplanètes autour du Soleil par la méthode des transits. On suppose que les planètes sont des points sur le disque du Soleil, c’est-à-dire qu’on ne prend pas en compte leur taille. Nous allons calculer quelle est la probabilité que, vue de RX92, une planète soit détectable par transit, c’est-à-dire qu’elle passe devant le Soleil (figure du haut).
Pour cela, regardons le système vu de côté au moment où la planète est « au milieu du Soleil » (dessin du milieu). La condition pour que le transit soit visible est que, à ce moment-là, le disque de la planète se projette sur le disque du Soleil.
Dans le cas limite, c’est-à-dire quand la planète passe juste « au bord » du Soleil, on a le triangle rectangle de la figure du bas où l’hypoténuse mesure (rayon de l’orbite de la planète), et où le côté opposé mesure (rayon du Soleil). On a alors : où est l’angle entre la ligne de visée et le plan de l’orbite de la planète autour du Soleil.
Comme est très petit, , où l'angle est exprimé en radians.
Si, pour une planète donnée du Soleil, l'angle entre le plan de son orbite et la ligne de visée, appelons-le , est plus petit que , les transits sont détectables de RX92.
L'angle peut prendre toutes les valeurs entre 0 et radians, mais seules les valeurs entre 0 et donnent un transit détectable. La probabilité de transits détectables est donc égale au rapport /
Quelle est la probabilité d'observer les transits de la Terre devant le Soleil ?
Même question pour Jupiter.
C'est une application de la théorie d'Einstein de la gravitation. Celle-ci prédit que lorsqu'un corps de masse M (déflecteur) est à une distance b projetée sur le ciel ("paramètre d'impact") de la ligne de visée d'une source lointaine, l'éclat apparent de cette dernière est amplifié par un facteur . Lorsque la source et le déflecteur se déplacent l'un par rapport à l'autre sur le plan du ciel, le paramètre d'impact b varie au cours du temps. Il en est donc de même du facteur d'amplification qui devient une fonction du temps A(t).
La probabilité d'observer un tel évènement est très faible. De ce fait, cette méthode de l'extrême nécessite d'observer un large champ stellaire pendant très longtemps pour avoir une chance d'assister à un phénomène de lentille.
Cette méthode de l'extrême a porté ses fruits : plus de 80 planètes ont été ainsi détectées à ce jour.
pages_methodes-detection/exo-vrad.html
Appliquer la loi
pages_methodes-detection/exo-transit1.html
La chute de luminosité est de l'ordre de (Rpl/R*)2 (voir page précédente)
pages_methodes-detection/exo-transit2.html
L'orbite de la Terre autour du Soleil a un rayon de km. L'orbite de Jupiter a un rayon de km. le Soleil a un rayon de km.