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Exoplanètes : une nouvelle méthode pour mesurer leur masse

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Les exobiologistes qui ont besoin de faire des statistiques sur les exoplanètes habitables doivent disposer de leur masse et de leur rayon. Une nouvelle méthode pour estimer la masse de ces astres a été découverte par deux astrophysiciens. Elle est basée sur l'analyse du spectre d'absorption de l'atmosphère d'une exoplanète lors d'un transit planétaire.

Vue d'artiste de l'analyse par spectroscopie de la lumière d'une étoile ayant traversé l'atmosphère d'une exoplanète lors d'un transit. Le spectre d'absorption d'une atmosphère trahit aussi bien sa composition chimique que les conditions qui y règnent, comme la pression et la température. © Christine Daniloff, MIT, Julien de Wit

L'une des premières choses qu'apprend un astrophysicien, c'est que la masse est l'un des paramètres fondamentaux qui décident de la structure et de l'évolution des étoiles et des planètes dans l'univers. Lorsqu'on pratique l'astrophysique, on cherche donc à mesurer la masse, la température et la taille de l'objet que l'on veut étudier, alors que l'astronome s'occupe avant tout de mesures d'angle, de distance, de vitesses et de positions des astres.

Prenons l'exemple des étoiles. Si elles sont moins massives que huit à dix fois notre Soleil, elles finiront leur vie sous forme de naines blanches, alors qu'elles deviendront des supernovae dans le cas contraire. Comparons Mars et la Terre : la première est trop légère pour avoir retenu son atmosphère et ses sources de chaleur internes se sont épuisées depuis longtemps du fait de sa faible masse. En revanche, sur Terre, une tectonique des plaques est encore active avec un bouclier magnétique engendré par la géodynamo.

Des transits planétaires pour mesurer le rayon et la masse

Lorsqu'on veut explorer le monde des exoplanètes dans l'espoir de trouver des réponses sur l'évolution ayant mené l'univers du Big Bang au vivant, la détermination de leur masse est à nouveau un prérequis essentiel en plus de leur présence ou non dans la zone d'habitabilité d'une étoile. La méthode canonique utilisée pour cela est jusqu'à présent celle des vitesses radiales, mais elle n'est bien adaptée que pour découvrir des exoplanètes en même temps massives et proches de leur étoile hôte. La méthode du transit planétaire ne permet pas d'estimer une masse (sauf quand on peut exploiter des variations de temps de transit), mais elle donne un rayon. Elle aide à découvrir plus facilement des planètes rocheuses comme des superterres ou des exoterres.

Prix Nobel de physique en 1983, le grand astrophysicien théoricien Subrahmanyan Chandrasekhar possédait un incroyable talent qui lui a permis de faire des contributions de tout premier plan. Ses travaux les plus célèbres portent sur la structure des étoiles, avec la découverte de la fameuse limite de Chandrasekhar, et la théorie des trous noirs. © Université de Chicago

Malheureusement, les transits sont rares, et c'est pourquoi des télescopes comme Kepler devaient surveiller en permanence une région de la voûte céleste avec plus de 100.000 étoiles pour en surprendre quelques-uns rapidement en quelques mois seulement. Lorsque le rayon et la masse de ces objets sont connus, on peut en tirer bien des informations, surtout si l'exoplanète est observée par des télescopes comme Hubble lors d'un transit. Par spectroscopie, on peut en déduire des informations sur la composition chimique de l'atmosphère de l'exoplanète.

Masses déduites du transfert radiatif dans l’atmosphère

Deux astrophysiciens du MIT, Julien de Wit et la célèbre Sara Seager, viennent de publier un article dans Science annonçant qu'ils ont mis au point une nouvelle méthode pour estimer la masse d'une exoplanète à partir de mesures spectroscopiques concernant son atmosphère. Ils l'ont testée avec HD 189733b, une Jupiter chaude qui orbite en seulement 2,2 jours autour d'une étoile située à 63 années-lumière de la Terre en direction de la constellation du Petit Renard. Sa proximité avec notre planète en fait un laboratoire d'étude privilégié pour les astrophysiciens, et c'est l'une des rares exoplanètes dont on a pu déterminer le rayon (1,26 fois celui de Jupiter) et la masse (1,15 fois celle de Jupiter). Récemment, on s'est même servi des observations de Hubble pour en déterminer la couleur dans le visible.

Les deux chercheurs ont bâti leur méthode sur les travaux des pionniers de la théorie des atmosphères stellaires et du transfert radiatif du début du XXe siècle. On peut par exemple citer à ce sujet l'imposante monographie du prix Nobel de physique Chandrasekhar. Ces travaux peuvent aussi s'appliquer à l'étude de l'atmosphère des planètes, comme on le fait depuis longtemps dans le cas de la Terre. Le spectre de la lumière transmise à travers l'atmosphère d'une étoile porte en lui les traces de la température, de la pression, du champ magnétique et de la turbulence régnant dans cette atmosphère, ainsi que de sa composition chimique. Cela se traduit par la présence ou l'absence de raies moléculaires et atomiques, leur intensité et leur largeur. Par ailleurs, un profil de densité et de pression en fonction de l'altitude dépend bien sûr de la gravité d'une étoile. Toutes ces considérations sont valables pour l'atmosphère d'une planète, et donc aussi d'une exoplanète.

Les deux astrophysiciens ont donc transposé aux exoplanètes des méthodes d'inversion permettant de déterminer la gravité, et donc la masse d'une étoile, à partir du profil spectral d'absorption de son atmosphère. Comme HD 189733b est un cas déjà bien étudié, ils ont pu vérifier que leur méthode permet bien de retrouver sa masse. Quand le James Webb Space Telescope, le successeur de Hubble, sera en orbite, cette méthode nous permettra entre autres, lorsque l'on connaît le rayon d'une exoplanète à partir d'une observation de transit planétaire, de déterminer sa masse et sa densité, et donc si l'on est en présence d'une planète océan ou non.

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