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Quelle est la méthode de transit?

Astronomie : Quelle est la méthode de transit?

Bienvenue à la première de notre série sur les méthodes de chasse à l'exoplanète. Aujourd'hui, nous commençons par la méthode la plus populaire et la plus utilisée, connue sous le nom de méthode du transit (alias. Photométrie du transit).

Pendant des siècles, les astronomes ont spéculé sur l'existence de planètes au-delà de notre système solaire. Après tout, avec entre 100 et 400 milliards d’étoiles dans la Voie Lactée à elle seule, il nous semblait peu probable que notre système soit le seul à disposer d’un système de planètes. Mais ce n’est que depuis quelques décennies que les astronomes ont confirmé l’existence de planètes extra-solaires (ou exoplanètes).

Les astronomes utilisent diverses méthodes pour confirmer l’existence d’exoplanètes, dont la plupart sont de nature indirecte. Parmi celles-ci, la photométrie en transit est la méthode la plus largement utilisée et la plus efficace à ce jour. Elle permet de mesurer la courbe de lumière d'étoiles éloignées pour des baisses périodiques de luminosité. Celles-ci résultent du passage d'exoplanètes devant l'étoile (en transit) par rapport à l'observateur.

La description:

Ces changements de luminosité sont caractérisés par de très faibles creux et pour des périodes de temps fixes, généralement autour du 1/10 000e de la luminosité globale de l'étoile et seulement pendant quelques heures. Ces modifications sont également périodiques, entraînant les mêmes baisses de luminosité à chaque fois et pour la même durée. Les astronomes peuvent également obtenir des informations essentielles sur les exoplanètes en fonction de la diminution de la luminosité des étoiles.

Pour toutes ces raisons, Transit Photometry est considéré comme une méthode très robuste et fiable de détection des exoplanètes. Sur les 3 526 planètes extra-solaires confirmées à ce jour, la méthode du transit a représenté 2 771 découvertes, ce qui est plus que toutes les autres méthodes combinées.

Avantages:

L'un des principaux avantages de la photométrie de transit réside dans sa capacité à fournir des contraintes précises sur la taille des planètes détectées. Évidemment, cela dépend de la mesure dans laquelle la courbe de lumière d'une étoile change à la suite d'un transit. Alors qu'une petite planète provoquera un changement subtil de luminosité, une planète plus grande provoquera un changement plus perceptible.

En combinaison avec la méthode de vitesse radiale (qui peut déterminer la masse de la planète), il est possible de déterminer la densité de la planète. À partir de là, les astronomes sont en mesure d’évaluer la structure physique et la composition d’une planète, c’est-à-dire de déterminer s’il s’agit d’une géante gazeuse ou d’une planète rocheuse. Les planètes étudiées à l'aide de ces deux méthodes sont de loin les mieux caractérisées de toutes les exoplanètes connues.

En plus de révéler le diamètre des planètes, la photométrie en transit peut permettre d'analyser l'atmosphère d'une planète par spectroscopie. Lorsque la lumière de l'étoile traverse l'atmosphère de la planète, les spectres obtenus peuvent être analysés pour déterminer les éléments présents, fournissant ainsi des indices sur la composition chimique de l'atmosphère.

L’impression artistique d’une planète extra-solaire en transit par son étoile. Crédit: Centre de recherche en astrophysique QUB

Enfin, la méthode de transit peut également révéler des informations sur la température et le rayonnement d’une planète sur la base d’éclipses secondaires (lorsque la planète passe derrière son soleil). À cette occasion, les astronomes mesurent l’intensité photométrique de l’étoile, puis la soustraient des mesures de son intensité avant l’éclipse secondaire. Cela permet de mesurer la température de la planète et même de déterminer la présence de formations nuageuses dans l'atmosphère de la planète.

Désavantages:

Transit Photometry souffre également de quelques inconvénients majeurs. D'une part, les transits planétaires ne sont observables que lorsque l'orbite de la planète est parfaitement alignée sur la ligne de visée des astronomes. La probabilité que l’orbite d’une planète coïncide avec le point de vue d’un observateur équivaut au rapport entre le diamètre de l’étoile et le diamètre de l’orbite.

Un tel alignement ne concerne que 10% environ des planètes dont les périodes orbitales sont courtes. Ce phénomène diminue pour les planètes dont les périodes orbitales sont plus longues. En conséquence, cette méthode ne peut pas garantir qu’une étoile particulière observée héberge effectivement des planètes. C'est pour cette raison que la méthode de transit est la plus efficace pour interroger des milliers, voire des centaines de milliers d'étoiles à la fois.

Il souffre également d'un taux substantiel de faux positifs; dans certains cas, jusqu'à 40% dans les systèmes à une seule planète (d'après une étude de 2012 de la mission Kepler). Cela nécessite que des observations de suivi soient effectuées, en s’appuyant souvent sur une autre méthode. Cependant, le taux de faux positifs diminue dans les étoiles où plusieurs candidats ont été détectés.

Nombre de découvertes de planètes extrasolaires par an jusqu'en septembre 2014, avec couleurs indiquant la méthode de détection - vitesse radiale (bleu), transit (vert), minutage (jaune), imagerie directe (rouge), microlentille (orange). Crédit: domaine public

Bien que les transits puissent révéler beaucoup de choses sur le diamètre d'une planète, ils ne peuvent pas imposer de contraintes précises à la masse d'une planète. Pour cela, la méthode de la vitesse radiale (comme indiqué précédemment) est la plus fiable, où les astronomes recherchent des signes de «vacillement» dans l'orbite d'une étoile pour mesurer les forces de gravitation agissant sur elles (qui sont causées par les planètes).

En bref, la méthode de transit présente certaines limites et est plus efficace lorsqu'elle est associée à d'autres méthodes. Néanmoins, il reste le moyen de «détection primaire» le plus largement utilisé - la détection de candidats confirmés ultérieurement par une méthode différente - et est responsable de davantage de découvertes d'exoplanètes que toutes les autres méthodes combinées.

Exemples d'enquêtes de photométrie de transit:

La photométrie de transit est réalisée par plusieurs observatoires terrestres et spatiaux à travers le monde. Cependant, la majorité d'entre elles sont basées sur la Terre et s'appuient sur des télescopes existants combinés à des photomètres à la pointe de la technologie. Les exemples incluent l’enquête Super Wide Angle Search (SuperWASP), une enquête internationale sur la chasse aux exoplanètes reposant sur l’observatoire Roque de los Muchachos et l’observatoire astronomique sud-africain.

Il existe également le réseau hongrois de télescopes automatisés (HATNet), composé de six petits télescopes entièrement automatisés, géré par le Centre d'astrophysique Harvard-Smithsonian. Le projet MEarth est un autre observatoire robotique financé par la National Science Foundation qui associe l'observatoire Fred Lawrence Whipple (FLWO) en Arizona à l'observatoire interaméricain Cerro Tololo (CTIO) au Chili.

Les caméras SuperWasp de l'observatoire astronomique sud-africain. Crédit: projet SuperWASP & David Anderson

Il y a aussi le Kilodegree Extremely Little Telescope (KELT), une enquête astronomique gérée conjointement par l'Université d'État de l'Ohio, l'Université Vanderbilt, l'Université de Lehigh et la Société sud-africaine d'astronomie (SAAO). Cette étude comprend deux télescopes, le Winer Observatory dans le sud-est de l’Arizona et la station d’observation astronomique Sutherland en Afrique du Sud.

En ce qui concerne les observatoires spatiaux, l'exemple le plus notable est le télescope spatial Kepler de la NASA. Au cours de sa mission initiale, qui s'est déroulée de 2009 à 2013, Kepler a détecté 4 496 candidats planétaires et confirmé l'existence de 2 337 exoplanètes. En novembre 2013, après la défaillance de deux de ses roues de réaction, le télescope a commencé sa mission K2. Au cours de cette période, 515 planètes supplémentaires ont été détectées et 178 confirmées.

Le télescope spatial Hubble a également mené des études de transit au cours de ses nombreuses années en orbite. Par exemple, la recherche planétaire extrasolaire à l'aide d'une fenêtre du Sagittaire (SWEEPS) - qui a eu lieu en 2006 - consistait en une observation par Hubble de 180 000 étoiles dans le bulbe central de la Voie Lactée. Cette étude a révélé l’existence de 16 exoplanètes supplémentaires.

Parmi les autres exemples, citons la COROT, communément appelée «Convection rotation and planetary transits» de l'ESA, qui a fonctionné de 2006 à 2012. La mission Gaia de l'ESA, lancée en 2013 dans le but de créer le plus grand catalogue jamais réalisé, composé de plus d’un milliard d’objets astronomiques.

Le télescope spatial Kepler de la NASA a été la première mission de l'agence capable de détecter des planètes de la taille de la Terre. Crédit: NASA / Wendy Stenzel

En mars 2018, le satellite TESS (Transiting Exiting Planet Survey Satellite) de la NASA devrait être lancé. En utilisant la méthode de transit, TESS détectera les exoplanètes et sélectionnera également des cibles à étudier par le télescope spatial James Webb (JSWT), qui sera déployé en 2019. Entre ces deux missions, la confirmation et la caractérisation de plusieurs milliers d'exoplanètes sont attendues.

Grâce aux améliorations technologiques et méthodologiques, la découverte d’exoplanètes a progressé à pas de géant ces dernières années. Avec des milliers d'exoplanètes confirmées, l'accent a été progressivement mis sur la caractérisation de ces planètes pour en savoir plus sur leurs atmosphères et les conditions de leur surface.

Dans les décennies à venir, grâce notamment au déploiement de nouvelles missions, des découvertes très profondes sont attendues!

Universe Today contient de nombreux articles intéressants sur la chasse aux exoplanètes. Voici quelle est la méthode de vitesse radiale?

Sources:

  • NASA Method La méthode de transit pour détecter des planètes supplémentaires
  • NASA: Exploration d'exoplanètes - 5 façons de trouver une exoplanète
  • La société planétaire Photométrie de transit
  • Institut d'astrophysique des Canaries La méthode du transit
  • Observatoire Las Cumbres Méthode de transit
  • Wikipedia Méthodes de détection des exoplanètes
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