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Une méthode plus précise pour mesurer le rayon des exoplanètes

ActualitéClassé sous :Univers , gravité , étoile

Pour déterminer par la méthode des transits la taille d'une exoplanète, il faut connaître celle de l'étoile hôte. Une façon indirecte d'obtenir cette information consiste à mesurer sa gravité de surface, un procédé souvent difficile et au résultat imprécis. Les astrophysiciens viennent de trouver une nouvelle méthode bien plus efficace et qui va permettre de revisiter les observations du télescope spatial Kepler.

Une comparaison entre la taille des cellules de convection, ou granules, à la surface des étoiles (la Terre est montrée comme étalon de mesure) allant du Soleil (Sun) aux étoiles géantes en passant par les sous-géantes (sub giant). Ces granules font fluctuer la luminosité des étoiles d'une façon qui dépend de la gravité de surface. En mesurant ces fluctuations, on peut en déduire la valeur de cette gravité pour diverses étoiles. © R. Trampedach, JILA/CU Boulder, CO

Corot et Kepler ne sont plus capables de chasser des exoplanètes en étudiant la courbe de lumière des étoiles qu'ils ont surveillées pendant des années. Mais les données qu'ils ont fournies n'ont pas encore livré tous leurs secrets. Une récente publication dans la revue Nature, par des chercheurs des universités Vanderbilt et Berkeley, vient de le montrer à nouveau. Elle concerne une nouvelle méthode pour mesurer simplement la force de gravité à la surface d'une étoile et en déduire de façon assez précise la taille d'une exoplanète déjà repérée.

Comme le montre le site de l'Encyclopédie des planètes extrasolaires, nous connaissons avec certitude actuellement (fin août 2013) environ mille exoplanètes. Certaines ont été découvertes avec la méthode des transits, ce qui permet d'obtenir une estimation de leur rayon. Mais pour connaître ce rayon il faut connaître celui de l'étoile autour de laquelle orbite l'exoplanète. Toute incertitude sur l'estimation de la taille de l'étoile va se propager sur celle de l'exoplanète. Malheureusement, cela conduit à ce que les tailles des exoplanètes ne soient connues qu'avec des incertitudes comprises entre 50 et 200 pour cent de leurs valeurs réelles. Lorsque l'on connaît en plus la masse de l'exoplanète, on peut estimer sa densité. Mais si cette masse et le rayon de la planète étudiée sont trop incertains, il n'est pas possible de tirer des conclusions fermes quant à la nature de l'exoplanète — par exemple est-elle une planète océan ? — et plus généralement de faire des statistiques sur certaines propriétés des exoplanètes.

Or, on peut estimer indirectement la taille d'une étoile, en particulier pour celles représentées sur la « séquence principale » du diagramme HR, si l'on connaît sa température et sa gravité de surface. La théorie de la structure stellaire fournit en effet plusieurs relations simples, entre par exemple la masse et la luminosité des étoiles, avec lesquelles on peut ensuite déduire nombre d'informations sur les propriétés et l'évolution de ces astres en mesurant quelques paramètres comme, justement, la gravité de surface et la température de l'atmosphère. Les astrophysiciens essaient donc de mesurer la gravité de surface de plusieurs étoiles avec le plus de précision possible et avec diverses méthodes en fonction des cas étudiés.

Les étoiles sont parcourues par des ondes sonores qui font fluctuer leur surface et donc la quantité de lumière émise. On peut déterminer leurs fréquences en mesurant les fréquences de fluctuations de la luminosité des étoiles. Comme le montre cette vidéo, des naines blanches (white dwarfs) aux étoiles géantes comme Arcturus, il est possible de transposer ces sons dans la bande audible de l'oreille humaine pour constater la diversité des étoiles... en les écoutant. © Vanderbilt University

Trois méthodes pour mesurer la gravité de surface d'une étoile

Il existait jusqu'à présent trois méthodes, par photométrie, par spectroscopie et enfin par astérosismologie. La première est facile à mettre en œuvre, consistsant simplement à mesurer la courbe de l'intensité lumineuse moyenne à plusieurs longueurs d'onde. Elle fonctionne même avec des étoiles peu lumineuses, par exemple parce qu'elles sont lointaines. Mais elle est peu précise, conduisant à des incertitudes comprises entre 90 et 150 pour cent.

La méthode spectroscopique repose sur le fait que la largeur des raies spectrales des atomes et  molécules dans l'atmosphère d'une étoile dépend de l'intensité de la gravité de surface (entre autres). Plus la gravité y est forte, plus larges sont les raies. L'incertitude est ici comprise entre 25 et 50 pour cent. Mais cette méthode n'est facile à mettre en œuvre que pour les étoiles brillantes.

La méthode la plus précise est sans conteste celle reposant sur l'astérosismologie. Les fréquences des ondes sonores qui font varier la luminosité de surface des étoiles sont en effet liées à l'intensité de la gravité. On peut, en les mesurant, obtenir une estimation de la force de gravitation en surface avec une incertitude de l'ordre de quelques pour cent seulement. Mais la mesure est difficile et restreinte aux étoiles particulièrement brillantes et proches

Mais de façon inattendue, les astrophysiciens étudiant les données de Kepler à la recherche de corrélations entre des variations de luminosité des étoiles et d'autres paramètres, comme le champ magnétique, ont découvert une quatrième méthode de détermination de la gravité de surface. On peut en prendre connaissance de façon détaillé dans l'article disponible sur arxiv.

Une mesure de la gravité avec une incertitude de moins de 25 pour cent

À la surface de certaines étoiles, comme le Soleil, on peut observer des cellules convectives comme celle de l'eau bouillante dans une casserole. Dans le cas du Soleil, elles forment la granulation solaire, facilement observable. Des granules, des cellules ascendantes de plasma chaud (de 5.000 à 6.000 kelvins), sont entourées de plasma plus froid (environ 400 kelvins de moins). La taille de ces granules est comprise entre quelques centaines de kilomètres pour les plus petits jusqu'à environ 2.000 km pour les plus grands. Les chercheurs ont découvert qu'en fonction de la gravité de surface des étoiles, ces cellules sont différentes, ce qui entraîne des fluctuations de luminosité bien caractéristiques. Lorsqu'elles durent moins de huit heures, on peut s'en servir pour estimer la valeur de la gravité de surface.

La nouvelle méthode est très simple et rapide à mettre en œuvre pourvu que l'on dispose de données de bonnes qualités, ce qui est le cas avec les observations archivées de Kepler portant sur plus de 150.000 étoiles. Elle a été comparée aux mesures faites par astérosismologie et les astrophysiciens ont pu constater qu'elle donnait des mesures avec une incertitude de moins de 25 pour cent. En bonus, les chercheurs ont découvert que les fluctuations de luminosité liées aux granules dépendaient aussi de l'évolution des étoiles, ce qui ouvre une nouvelle fenêtre d'observations pour l'étudier.

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