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Les exoplanètes

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Vue d’artiste d’une exoplanète.
Crédit photo : ESO via Wikimedia Common
Vue d’artiste d’une exoplanète.
  • Vue d’artiste d’une exoplanète.
  • Le spectromètre SPIRou en test avant d’être installé au télescope Canada-France-Hawaii en 2018.
  • TESS, Transiting Exoplanet Survey Satellite, avant son lancement en 2017.
  • Le télescope spatial James Webb en phase finale de tests.
  • Les yeux canadiens de l’instrument NIRISS/FGS.
  • Une vue d’artiste de la planète errante SDSS 1110+0116. On y voit cet objet similaire à Jupiter, mais qui n’est pas en orbite autour d’une étoile, flottant librement dans l’espace avec la Galaxie en arrière-plan.
  • Une vue d’artiste de l’association d’étoiles jeunes μ Tau, découverte en 2020 au Planétarium. On y voit la Galaxie en arrière-plan et les étoiles de l’association jeune. Les étoiles bleues sont chaudes et massives, tandis que les étoiles p
  • Une vue d’artiste de l’exoplanète AU Mic b, qui a récemment été découverte autour d’une étoile très jeune. L’étoile est si jeune qu’elle a encore un grand disque de débris résultant de l’époque de formation des exoplanètes, ce qui est très rare.

Le Planétarium concentre une partie de ses efforts sur la recherche de biosignatures sur des exoplanètes. Grâce aux dernières avancées technologiques scientifiques, nous sommes à l’aube de répondre à l’une des plus grandes questions : sommes-nous seul.e.s dans l’Univers? Pour y parvenir, la recherche en astronomie se donne les moyens financiers, mais aussi humains, en regroupant les meilleurs chercheurs et en développant les meilleurs instruments et télescopes.

Le Planétarium a choisi de collaborer avec l’Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx), regroupant plus de 50 chercheurs provenant de quatre universités québécoises (Université de Montréal, Université McGill, Université Laval, Université Bishop’s). Le Planétarium apporte ainsi son expertise :

  • dans le domaine de l’instrumentation astronomique de pointe permettant d’identifier les exoplanètes rocheuses en contribuant à la conception d’instruments pour les grands observatoires astronomiques à Hawaï et au Chili;
  • dans le domaine de l’analyse et du traitement de données, grâce à son centre de visualisation de données, dont les capacités multimédias et la puissance de calcul des deux dômes 360o, jumelés à l’intelligence artificielle, permettront la reconnaissance de biosignatures;
  • et, enfin, dans le domaine de la vulgarisation scientifique, en permettant non seulement de sensibiliser un large public, toujours croissant, mais aussi d’assurer la formation d’étudiant.e.s, de jeunes chercheur.euse.s et d’animateur.rice.s.

Le Planétarium espère ainsi répondre à cette question fondamentale et faire prendre conscience aux Montréalais.e.s de l’importance de la biodiversité, terrestre ou non.

Qu’est-ce qu’une exoplanète?

Une exoplanète est une planète qui est en orbite autour d’une étoile autre que notre propre étoile, le Soleil. L’existence des exoplanètes a été confirmée au milieu des années 1990. C’est à l’équipe suisse de Michel Mayor et Didier Queloz, prix Nobel de physique en 2019, qu’on attribue cette découverte. Avant les années 1990, il n’existait que neuf planètes. Depuis, grâce aux multiples découvertes, on en compte plus de 4 000.

Comment les trouver?

Il existe plusieurs méthodes permettant la détection d’exoplanètes. Les équipes de recherche du Planétarium et de l’iREx se focalisent sur trois d’entre elles. Deux sont indirectes, ne permettant que de détecter les effets des exoplanètes sur les étoiles autour desquelles elles orbitent, et l’une est directe, donnant accès à de vraies images des exoplanètes.

Les trois méthodes sont efficaces et permettent de caractériser les systèmes exoplanétaires, depuis leur orbite jusqu'à leur atmosphère, en passant par leur masse ou leurs dimensions.

La méthode de la vélocimétrie radiale

Cette méthode, proposée à l’origine par Michel Mayor et Didier Queloz, permet l’étude des vitesses de déplacement des étoiles en présence d’un compagnon. Le spectre d’une étoile, c’est-à-dire sa signature multi-longueurs d’onde, forme un arc-en-ciel parsemé de traits noirs, témoins essentiels de la présence d'éléments qui la composent. Une étoile “au repos”, sans la présence de compagnon, montrera un spectre fixe dans le temps à travers un spectromètre, instrument capable d’analyser cette lumière. Cependant, en présence d’un compagnon (autre étoile, naine brune ou planète), on assistera à la mise en oscillation de ce spectre. C’est cette danse que nous recherchons pour identifier la présence d’une exoplanète.

Deux spectromètres, SPIRou et NIRPS, sont en construction pour étudier les exoplanètes. Cette méthode permet essentiellement de trouver la masse des exoplanètes. Le Planétarium participe à la réalisation de l'instrument NIRPS avec l’équipe de l’iREx et un ensemble de collaborateurs internationaux.

La méthode des transits

Cette méthode est basée sur le principe de l’éclipse. Lorsqu’une exoplanète passe devant ou derrière une étoile, la luminosité de l’étoile varie. Les variations de luminosité nous donnent accès à une foule de renseignements, dont le diamètre de la planète, et nous permettraient même de caractériser les atmosphères de cette dernière.

Cette méthode a été mise au point par David Charbonneau à la fin des années 1990. C’est cette méthode qui a été utilisée par le satellite Kepler, qui a permis la découverte de plusieurs milliers de planètes et qui est reprise par son successeur Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), actuellement en fonction dans l’espace.

Transit: Searching for Shadows

Grâce à la participation canadienne au projet du télescope spatial Webb, dès 2021, il sera possible d’analyser plus en profondeur les atmosphères des exoplanètes pour partir à la recherche de biosignatures. L’iREx et l’Organisation météorologique mondiale (OMM) sont en première ligne grâce à leur implication dans le design de l'instrument NIRISS/FGS, dédié à l’étude des atmosphères lointaines. Le Planétarium sera aussi le meilleur lieu pour la diffusion de ces résultats exceptionnels!

L’imagerie directe

Une autre méthode dans la recherche d’exoplanètes consiste à prendre une image de celles-ci. Cette méthode directe reste très délicate à mettre en place, car les exoplanètes sont très peu lumineuses par rapport à l’étoile autour de laquelle elles sont en orbite et très près d’elle à notre distance d’observation. Par conséquent, les techniques d’observation vont souvent consister à “cacher” la lumière de l’étoile, qui pollue la lumière de l’exoplanète, soit par coronarographie (masque physique dans le télescope) ou par imagerie différentielle angulaire, développée en 2008 par une équipe québécoise, Marois, Doyon et Lafrenière, qui a permis d’obtenir le cliché unique du système extrasolaire HR8799.

Animation de photographies réelles montrant le déplacement des planètes du système extrasolaire HR8799, sur leur orbite, entre juillet 2009 et juillet 2016. Crédits : Video making & motion interpolation: Jason Wang. Data analysis: Christian Marois. Orbit determination: Quinn Konopacky Data. Taking: Bruce Macintosh, Travis Barman, Ben Zuckerman.

Animation de photographies réelles montrant le déplacement des planètes du système extrasolaire HR8799, sur leur orbite, entre juillet 2009 et juillet 2016. Crédits : Video making & motion interpolation: Jason Wang. Data analysis: Christian Marois. Orbit determination: Quinn Konopacky Data. Taking: Bruce Macintosh, Travis Barman, Ben Zuckerman.

Les planètes errantes

Très récemment, des objets aux propriétés très semblables à celles des exoplanètes géantes, mais qui ne sont pas en orbite autour d’une étoile, ont été découverts dans le voisinage du Soleil. On les appelle parfois “planémos”, une contraction qui signifie planetary-mass objects en anglais. Ces planémos sont difficiles à identifier car leur luminosité intrinsèque est très faible et il nous faut des caméras infrarouges pour les détecter. Leur détection initiale est très difficile, parce qu’on ne sait même pas où pointer notre télescope étant donné que les planémos ne sont pas en orbite autour d’une étoile. Cependant, une fois identifiés nous pouvons étudier les propriétés de leur atmosphère, leurs nuages, leur vélocité dans l’espace et même à quelle vitesse ces planémos tournent sur eux-mêmes. On peut les étudier avec un niveau de détail impossible à atteindre pour les exoplanètes en orbite autour d’une étoile,étant donné que les étoiles de ces dernières aveuglent nos instruments et qu’il devient très difficile de détecter directement la lumière de l’exoplanète.

Les associations d’étoiles jeunes

Il est encore difficile de bien comprendre les propriétés détaillées des exoplanètes et les détails de leur formation initiale. Quand on étudie une exoplanète, on mesure souvent ses propriétés de façon relative par rapport à son étoile hôte : par exemple, on mesure souvent le ratio de la taille de l’exoplanète par rapport à celle de l’étoile. Nous sommes encore limités dans notre compréhension des propriétés des exoplanètes parce qu’il faut connaître l’âge de leurs étoiles pour établir leurs propriétés avec précision. Or, nous avons très peu d’outils disponibles pour déterminer l’âge des étoiles. L’étude des associations d’étoiles nous permet d’avancer sur ce plan : ces associations regroupant typiquement quelques centaines d’étoiles se sont formées au même moment à partir d’un grand nuage moléculaire. On peut ainsi estimer que tout ce groupe d’étoiles a exactement le même âge pour obtenir approximativement l’âge collectif de toutes ces étoiles. Quand on découvre ensuite une exoplanète qui orbite l’une de ces étoiles, on peut alors déduire les propriétés de l’exoplanète de façon beaucoup plus précise. De plus, on découvre parfois de telles exoplanètes autour d’étoiles si jeunes que la planète est encore en formation, et on en apprend alors beaucoup plus sur les mécanismes qui permettent aux exoplanètes de se former.

L’équipe de recherche sur les exoplanètes

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