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La méthode du transit

— 20 juillet 2022 —



Comment détecter la présence d'une planète autour d'une étoile lointaine ? Il existe plusieurs techniques plus ou moins complexes pour y parvenir, mais la méthode du transit est de loin la plus accessible et facile à comprendre, et c'est également grâce à elle que l'on réalise la majorité des découvertes depuis plusieurs années.

Cette méthode de détection est également la seule méthode d'analyse atmosphérique exploitable de nos jours, ce qui en fait un outil incontournable de l'exploration des exoplanètes. Voilà l'explication complète dans les lignes qui suivent.
Pour commencer nous allons voir détailler le concept de la détection par transit, et nous verrons les points forts de cette technique, puis ses faiblesses, et enfin ses applications diversifiés s'étendant au-delà de la détection.
 

Qu'est ce que le transit ?
Lorsqu'une planète passe devant une étoile et obstrut légèrement la lumière qui nous parvient,
c'est ce qu'on appelle un transit planétaire.


C'est exactement le même concept qu'une eclipse. Sauf qu'une éclipse est un transit total, dans le sens où la totalité du Soleil est recouvert par la Lune, alors que dans le cas d'un transit planétaire seule petite (très infime) partie de l'étoile est caché par la planète. Dans le cas d'une éclipse totale du Soleil, la luminosité que l'on reçoit du Soleil passe en quelque secondes de 100% à 5% (environ), c'est donc un phénomène que l'on remarque forcément, que l'on soit astronome ou pas.

En revanche, dans le cas d'un transit planétaire, en observant une étoile autour de laquelle orbite une planète, la luminosité de cette étoile va passer de 100% à 99% lorsque la planète passe devant. C'est donc une différence très minime, qui n'est pas visible à l'oeil nu (même en regardant à travers un télescope). La seule manière de remarquer cette infime diminution de luminosité est de mesurer avec précision (avec un intrument adapté) le flux provenant de l'étoile pendant une longue période de temps (au moins plusieurs jours), effectuer un traitement de données pour supprimer les parasitages (qu'on appelle le bruit de fond) et porter le résultat sur un graphique du flux de l'étoile par rapport au temps.

On obtient alors une courbe similaire à celle de l'image suivante.

Illustration

Graphique de la courbe de lumière obtenue par un transit d'exoplanète devant une étoile (ESA : Transiting Exoplanet)


En astronomie on appelle cela une "courbe de lumière" (lightcurve en anglais) et c'est son analyse qui permet de savoir si oui ou non la luminosité d'une étoile varie, et si cela est dû à la présence d'une exoplanète ou non (car la variation de luminosité d'une étoile peut très bien avoir d'autres origines que le transit d'une planète, comme une pulsation de l'étoile par exemple).
Lorsqu'une courbe de lumière semble indiquer une baisse du flux durant un certain temps (que l'on appelle la durée de transit : durée durant laquelle la planète passe devant l'étoile) alors on obtient le premier élément suggérant la présence d'une planète en orbite. Mais cela ne constitue pas une preuve, car il se peut très bien que quelque chose d'autre soit passé devant le télescope (un moustique, un satellite, une poussière de l'espace, un vaisseau extra-terrestre, ...).

Pour s'en assurer, il faut vérifier que la durée de transit soit d'au moins quelques minutes. En effet, un objet "proche" (c'est à dire situé quelque part sur Terre ou dans notre Système solaire) passant devant le télescope ne fournira qu'un signal très bref (une fraction de seconde, ou quelques secondes maximum), tandis qu'un grand objet de la taille d'une planète situé à plusieurs années lumières mettra forcément un temps beaucoup plus long (bien souvent plusieurs heures) pour transiter sur l'étoile que l'on observe (en vérité il suit simplement son orbite).

 

Une fois que l'on s'est assuré de la cohérence de la durée de transit,
il faut confirmer l'existence de cette planète, et c'est la que la vraie science commence !


À partir de la durée de transit et de la profondeur de transit (la quantité de flux "en moins" lors du transit) il est possible de déterminer les paramètres orbitaux de la potentielle planète en exploitant la relativité générale ou les lois de Kepler (et une certaine dose de math). Le paramètre orbital le plus important à déduire est la période de révolution, c'est à dire le temps que met la planète à compléter un tour complet autour de son étoile. Grâce à cette information on peut alors prédire dans combien de temps la planète repassera devant l'étoile. Si, à la date prévue, on observe de nouveau le même transit : bingo, la présence de l'exoplanète est confirmée, gg la science.

À ce jour, exactement 13 879 exoplanètes ont été "détecté", mais en réalité, seules 5 060 sont confirmées. Il faut donc bien comprendre que les 8 819 exoplanètes non-confirmées (ce que la NASA appelle des "candidates") ne sont en fait que des signaux cohérents sur une courbe de lumière qui suggère la présence d'exoplanètes, mais que ces dernières n'ont pas encore effectué un second transit permettant de prouver leur existence. Pour les planètes dont la période de révolution est de 3 semaines cela ne prendra pas très longtemps, mais pour celles qui prennent plusieurs années à compléter une révolution, il faut s'armer de patience avant de confirmer (ou non) leur découverte.

 

Illustration

Réseau d'antennes de l'Atacama (au Chili) capable d'étudier les systèmes planétaires lointains (ALMA : ESO, NRAO, NAOJ)


Nous avons fait le tour des principaux aspects de la méthode du transit permettant la découvert d'exoplanètes. Elle est relativement simple à comprendre (on peut résumer ce phénomène comme étant similaire à une petite éclipse très lointaine), mais comme toute méthode scientifique, elle doit être utilisée en gardant l'esprit critique et ouvert.

Les points forts de cette technique sont bien sûr sa "simplicité" théorique (aucun bagage scientifique avancé n'est nécessaire pour comprendre le fonctionnement d'une éclipse) et sa facilité de mise en oeuvre : il n'y a qu'un pointer une étoile avec un télescope suffisament performant, et attendre de détecter une chute de flux sur la courbe de lumière.

Ses points faibles sont en revanche plus nombreux. Tout d'abord, il faut avoir un télescope suffisament puissant pour récolter le plus de flux possible de l'étoile que l'on vise, sans quoi le peu de données obtenu ne sera pas exploitable : il faut donc un télescope de très grand diamètre.

Deuxièmement, les conditions atmosphériques doivent être parfaites : on ne veut pas que des conditions météo défavorables faussent la récolte de données ou obstrut carrément la visibilité. C'est pourquoi il est préférable (comme pour n'importe quel observatoire à vrai dire) de se positionner en altitude (sur une montagne) ou même dans l'espace si possible (c'est ce qui est réalisé avec les télescopes spatiaux comme le James Webb).

Troisièmement, pour détecter un transit, il faut que la planète passe devant son étoile. Or, cela implique que l'observateur (nous, la Terre), l'exoplanète, et son étoile, soient tous alignées dans le même plan. Et bien que cela soit souvent le cas, il y a également un très grand nombre de planètes dont l'angle d'inclinaison avec leur étoile est trop élevé : par conséquent la planète, de notre point de vue, passera au dessus ou en dessous de l'étoile, et nous ne verrons donc aucun transit. Une grande quantité d'exoplanètes restent ainsi cachées à nos yeux... mais il existe heureusement d'autres méthodes de détection pour palier à ce problème ! Elles seront détaillés dans de futurs articles du blog ;)

Enfin (il y a surement d'autres défauts, mais on va s'en tenir aux principaux), c'est une méthode qui est longue, parfois même trèèèès longue. Vous vous souvenez de la nécessité d'attendre plusieurs semaines ou années entières pour confirmer une détection ? Et bien il en va de même pour effectuer la toute première détection (celle pour obtenir une candidate), sauf que cette fois ci vous observez pour la première fois une étoile en espérant y voir un transit, et il va donc falloir attendre, attendre... mais attendre combien de temps au juste ? Personne ne sait ! C'est là toute la frustation de cette méthode. Vous pouvez attendre des mois sans rien détecter... et si ça se trouve, vous allez décider d'observer une autre étoile, et le jour suivant un transit aura lieu sur l'étoile que vous ne regardez désormais plus ! La méthode du transit est une technique de longue haleine, nécessitant parfois beaucoup de patience. C'est un peu la pèche de l'astronomie.

 

Illustration

Détection de l'exoplanète WASP-96 b le 11 juin 2022 par le James Webb Space Telescope (NASA : JWST)


Ce tour d'horizon sur les avantages et les ennuis de cette méthode de détection d'exoplanètes est désormais complété. Mais nous n'avons en vérité parlé que de la moitié de la puissance et de l'intérêt de la méthode du transit !

Le transit d'une planète autour de son étoile permet effectivement de détecter la présence de la planète, mais également d'en analyser la composition ! On peut, grâce à la spectroscopie astronomique, connaitre les éléments chimiques dont est constituée la surface de la planète, ainsi que savoir si elle possède une atmosphère, et déterminer son épaisseur puis les molécules dont elle est faite. On peut de cette manière savoir si une exoplanète est composée de roches similaire à celles de la Terre, puis vérifier la présence d'eau à la surface, et déduire la présence d'un dynamisme climatique ou même de marqueurs de biosignatures, trahisant l'existence de la vie sur cette planète.

 

Voilà donc l'intérêt supérieur de la méthode du transit :
analyser en surface les exoplanètes et découvrir la vie.


Ces éléments d'analyse planétaire et atmosphérique sont aussi aussi complexes (voire plus) que le processus de détection, et mériteront donc d'être traité en détails dans d'autres articles. Restez à l'affut !

Pour conclure, la puissance des éclipses et des transits comme moyen de faire avancer la science est indéniable. De Eintein qui avait utilisé l'éclipse solaire de 1919 pour prouver sa théorie de la relativité général, aux institutions de recherche spatiale à travers le monde qui utilisent les éclipses stellaires -transits- pour découvrir d'autres mondes, rien ne nous éclaire plus que la disparition temporaire des étoiles.



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