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Détection d’exoplanètes
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ACTIVITÉ D'EXPLORATION


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Détection d’exoplanètes





Une exoplanète est une planète située hors du système solaire. Les recherches scientifiques sur ce sujet ont débuté au cours du XIXe siècle. Aujourd’hui, on recense près de 40004\:000 exoplanètes.

➜ Comment détecter la présence d’une planète gravitant autour d’une étoile sans pouvoir la voir directement ?


Objectifs

  • Interpréter les observations correspondant à une manifestation de l’effet Doppler.
  • Établir et exploiter l’expression du décalage Doppler.


Doc. 1
Exoplanètes

Les principales méthodes de détection sont des méthodes indirectes : la méthode des vitesses radiales qui permet, depuis la fin des années 1990, de découvrir plusieurs dizaines d’exoplanètes par an et la méthode du transit qui a permis, grâce au télescope Kepler, de découvrir plus de 25002\:500 exoplanètes entre 2014 et 2018.
La méthode du transit consiste à observer la diminution périodique de la luminosité d’une étoile lorsqu’une planète passe devant.
La méthode des vitesses radiales consiste à mesurer, grâce à l’effet Doppler-Fizeau, le léger mouvement circulaire d’une étoile induit par l’attraction gravitationnelle exercée par ses planètes. On observe ainsi un décalage périodique du spectre de l’étoile.

Doc. 2
Évolution de la vitesse radiale de ε\varepsilon Tau

Évolution de la vitesse radiale


D’après B. Sato et al., « A Planetary Companion to the Hyades Giant ε\varepsilon Tauri », The Astrophysical Journal, 20 mai 2007.

Doc. 3
Jour julien

Le jour julien (abrégé en JD, pour julian day en anglais) est la base d’un système de datation utilisé en astronomie et qui consiste à compter le nombre de jours écoulés depuis une date de référence fixée arbitrairement au premier janvier -4712 à 12 h

Doc. 4
Décalage Doppler-Fizeau

Du fait de l’effet Doppler-Fizeau, la longueur d’onde des radiations émises sera décalée positivement ou négativement selon que l’astre s’éloigne ou se rapproche, selon la relation :
Δλ=vcλem|\Delta \lambda|=\dfrac{v}{c} \cdot \lambda_{\mathrm{em}}

Δλ\Delta \lambda : décalage en longueur d’onde (m)
vv : vitesse de l’astre (m·s-1)
cc : célérité de la lumière dans le vide égale à c=3,00×108c=3{,}00 \times 10^{8} m·s-1
λem\lambda_{em} : longueur d’onde de la radiation émise (m)

Compétences

APP : Extraire l’information utile

RAI/ANA : Construire un raisonnement

Questions

1. Expliquer pourquoi les longueurs d’onde des raies d’absorption d’une étoile autour de laquelle gravite une planète subissent un décalage périodique.


2. Déterminer la période de révolution, c’est-à-dire la durée pour effectuer un tour autour de l’étoile, de l’exoplanète gravitant autour de l’étoile ε\varepsilon Tau.


3. Calculer les extrema du décalage en longueur d’onde du spectre de l’étoile ε Tau pour la raie du sodium (λem=589\lambda_\text{em}= 589 nm).
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Synthèse de l'activité

La précision du dispositif utilisé par les membres de l’équipe de B. Sato ne leur permettait pas de mesurer une vitesse inférieure à 6 m⋅s-1. En déduire la valeur la plus faible du rapport entre le décalage Doppler et la longueur d’onde.
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