Les exoplanètes, tout savoir par le calcul – par Paul et Viktors

Lors de notre troisième jour de Science Summer Camp nous avons eu la chance d’assister à un atelier illustré par une maquette sur les exoplanètes. Dans cette activité nous avons cherché à comprendre ce qu’est une exoplanète et comment les scientifiques ont pu déduire la température, la taille, la distance, la masse et le temps de révolution de ces planètes à partir de simples observations.

Tout d’abord, une exoplanète est une planète qui n’appartient pas au système solaire. De nos jours nous pouvons compter près de 6000 exoplanètes découvertes.
Les astrophysiciens ne peuvent pas réellement voir les exoplanètes du fait de leur petite taille par rapport à leur étoile. Néanmoins, nous pouvons distinguer leur présence par leur effet sur la luminosité de leur étoile de notre point de vu, on appelle cela la méthode du transit.

Elle repose sur l’analyse de la courbe de lumière d’une étoile. Lorsqu’une exoplanète passe devant son étoile, elle bloque une partie de la lumière, créant une baisse temporaire et régulière de luminosité détectable par les télescopes. C’est à partir de cette baisse que tout commence. Grâce aux différentes variations sur cette courbe de lumière, nous pouvons établir la durée d’une révolution T de la planète dite. C’est-à-dire la durée d’une « année » sur cette exoplanète. Elle est simplement calculée en mesurant l’intervalle entre deux transits successifs :

T =t₂ – t₁

où  t₁ et t₂ sont les dates de deux passages devant l’étoile.

Puis nous pouvons également trouver la taille de la planète est de son étoile. La taille de l’exoplanète peut aussi être calculée à partir de la courbe de lumière. Plus la baisse de luminosité est importante, plus la planète est grande par rapport à son étoile. On utilise la formule suivante, qui relie le rayon de l’exoplanète à celui de l’étoile. Grâce à cette formule (plus la planète est grande, plus elle recouvre son étoile, donc est elle est moins lumineuse):

Les astrophysiciens peuvent aussi déterminer la révolution, ainsi que la vitesse de la planète et donc aussi en déduire la distance entre  les deux objets:

v=d/t   =>  vp=2*Re/t

De plus, la 3ème loi de Kepler permet de trouver la masse des astres.

où G est la constante gravitationnelle et M la masse de l’étoile. Cette distance permet ensuite de mieux comprendre la température et l’environnement de la planète.

Enfin autre donnée importante est la température T_p de la planète. Elle dépend de la température de l’étoile T_e, on utilise alors la loi de Stefan-Boltzman qui stipule que l’intensité du rayonnement émis par un objet est directement proportionnelle à la puissance quatre de sa température de surface.

Cette estimation ne prend pas en compte l’effet de serre, mais donne une bonne idée de la température globale de surface.

Enfin, pendant le transit, une partie de la lumière de l’étoile traverse l’éventuelle atmosphère de la planète. Grâce à des instruments comme le télescope James Webb, les astronomes analysent cette lumière à travers la spectroscopie, ce qui permet de repérer des éléments chimiques comme la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, le méthane ou l’ozone. Cette étape est essentielle pour détecter des signes de conditions habitables.

En résumé, bien que l’on ne voie pas directement les exoplanètes, les scientifiques réussissent à en déterminer la taille, la température, la distance à leur étoile, leur révolution et même la composition de leur atmosphère. Tout cela est rendu possible grâce à des calculs rigoureux, à partir de simples variations de lumière. C’est la preuve qu’en astronomie, les chiffres permettent de voyager bien au-delà de notre regard.

Par Paul et Viktors