Les ondes gravitationnelles pour détecter les exoplanètes
Publié par Redbran le 15/07/2019 à 14:00
Source: CEA IRFU

L'expérience LISA pourra déceler des planètes dans toute la Galaxie

Les récentes détections d'ondes gravitationnelles, infimes vibrations de l'espace-temps, ont ouvert une nouvelle fenêtre d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Deux chercheurs, dont Camilla Danielski du Département d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des...) du CEA-Irfu, viennent ainsi de démontrer que, lorsque ces ondes sont émises par deux étoiles denses en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.), elles peuvent être perturbées si une planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre...) est en orbite autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les...) de ce couple d'étoiles. Les ondes gravitationnelles, qui peuvent être détectées jusqu'à de grandes distances, sont alors un moyen infaillible de détecter une population de planètes inaccessibles autrement. L'expérience LISA (Spatial Interferometer with laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) antenna), dont le lancement est prévu en 2034, pourra ainsi réveler des planètes géantes dans toute la Galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au singulier.) et même dans les galaxies compagnons des Nuages de Magellan. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Astronomy du 8 juillet 2019.

Détecter les planètes lointaines

Depuis 20 ans, la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) des exoplanètes, planètes orbitant autour d'autres étoiles que le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine...), a connu une révolution et plus de 4000 planètes ont déjà été découvertes en orbite autour d'une grande variété d'étoiles, différentes de notre propre Soleil. Différentes classes d'exoplanètes ont ainsi été découvertes, de masses, de tailles et de compositions différentes. Ces découvertes ont bouleversé notre conception des planètes et ont révélé une grande diversité de population planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés sont...). Mais, les techniques de détection, basées sur l'analyse de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...), restent limitées à une région proche du Soleil.

La première découverte, par les expériences LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes...) and Virgo, en septembre 2015, d'ondes gravitationnelles produites par la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes...) de deux trous noirs a marqué le début d'une nouvelle astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec...) en ouvrant la nouvelle ère prometteuse des observations multi-messagers. Les ondes gravitationnelles ne sont pas des ondes lumineuses mais des ondes de déformation de l'espace- temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.); elle se matérialisent par une variation transitoire de distance entre deux points, mesurable grâce à des lasers. Contrairement aux ondes lumineuses qui peuvent être absorbées dans l'espace interstellaire, elles se propagent librement dans tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) l'espace et sont donc potentiellement détectables jusqu'à de très grandes distances.


La Voie lactée (notre Galaxie) et les deux galaxies les plus proches (Les Nuages de Magellan), visibles dans le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) austral (Le mot austral (du latin australis) est un adjectif qualifiant ce qui se situe dans l'hémisphère sud.) comme deux taches floues, pourront être explorées pour y rechercher des planètes grâce aux ondes gravitationnelles.

Planètes autour d'un couple de naines blanches

Depuis 2015, déjà onze événements d'ondes gravitationnelles ont été enregistrés. Ces ondes peuvent être produites par la fusion d'objets denses, trous noirs ou étoiles à neutrons, mais également par la rotation rapide d'un couple de naines blanches en orbite serrée. Les naines blanches sont le dernier stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et ferme ») est un équipement sportif.) de l'évolution des étoiles comme le Soleil, objets denses d'une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps...) équivalente à celle du Soleil condensée dans un rayon équivalent à celui de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre...). Elles sont particulièrement nombreuses dans la Galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif...), car on estime qu'environ 10% des étoiles sont déjà devenues des naines blanches, mais elles sont difficiles à détecter car elle émettent peu de lumière.

Les chercheurs ont calculé que, si une planète est en orbite autour d'un couple serré de naines blanches, alors l'onde gravitationnelle (Dans le cadre de la relativité générale les ondes gravitationnelles sont définies comme les perturbations de la métrique qui du point de vue des équations d'Einstein sont découplées...) produite sera modifiée en raison de l'attraction gravitationnelle de la planète sur le couple d'étoiles, révèlevant ainsi l'existence de la planète. Cette technique est similaire à la méthode de la vitesse (On distingue :) radiale bien connue, utilisée pour repérer des exoplanètes avec des télescopes classiques. Mais à la différence des méthodes qui analysent la lumière, l'utilisation des ondes gravtitationnelles permet d'explorer de régions beaucoup plus grandes, sans être d'autre part perturbé par l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) de l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) centrale.


Vision d'artiste des ondes gravitationnelles produites par un système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme couramment bit (de l'anglais binary digit, soit « chiffre binaire ») les chiffres de la numération binaire. Ceux ci...) compact constitué de deux naines blanches et d'une exoplanète (Une exoplanète, ou planète extrasolaire, est une planète orbitant autour d'une étoile autre que le Soleil. La plupart des exoplanètes découvertes à ce jour orbitent autour d'étoiles...) similaire à Jupiter en orbite. Crédit image: Simonluca Definis Artwork

Les auteurs montrent ainsi que la prochaine grande mission LISA (Spatial Interferometer with laser antenna ou Interféromètre spatial à antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) laser) de l'Agence Spatiale Européenne (L’Agence spatiale européenne (ASE) (en anglais European Space Agency : ESA) est une agence spatiale intergouvernementale fondée le 31 mai 1975. Elle est chargée de...) (ESA), dont le lancement est prévu pour 2034, pourra détecter des exoplanètes de la masse de Jupiter et au delà, partout dans notre Galaxie, en surmontant les limites de distance des télescopes classiques. L'expérience LISA est constituée de 3 satellites (Satellite peut faire référence à :) en triangle (En géométrie euclidienne, un triangle est une figure plane, formée par trois points et par les trois segments qui les relient. La dénomination de...), séparés de 2,5 millions de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458...) et reliés par 6 faisceaux laser. Elle sera capable de détecter les ondes gravitationnelles sans être affectée par les sources de perturbations terrestres. LISA aura même le potentiel de détecter des exoplanètes également dans les galaxies voisines, ce qui pourrait donc réveler la première exoplanète extragalactique. De quelle nature seront ces planètes extragalactiques ? Seront-elles similaires à celles déjà découvertes au voisonnage du Soleil ou seront-elles totalement différentes ? De grandes surprises attendent encore les astrophysiciens dans leur compréhension et leur recherche d'autres Terres.

Contact chercheuse:
Camilla DANIELSKI - IRFU CEA

Référence publication:
"The gravitational-wave detection of exoplanets orbiting white dwarf binaries using LISA"
Nicola Tamanini et Camilla Danielski
publié dans la revue Nature Astronomy du 8 juillet 2019

Voir aussi: Pas d'écho gamma à la fusion de deux trous noirs (29 mars 2016)
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