ASTRONOMIE ET ASTROPHYSIQUE Patrick Boissé IAP - ENS-phys

ASTRONOMIE ET ASTROPHYSIQUE
Patrick Boissé
IAP et Université Paris VI
Compte-rendu par Benjamin Langlois du séminaire du 20/11/07
Introduction :
Pour donner un aperçu des recherches menées actuellement en astrophysique, deux thèmes
d’actualité seront introduits : les exoplanètes et l’étude de l’univers lointain par l’analyse des
spectres de quasars. Pour chacun d’eux des aspects observationnels, théoriques ou de
modélisation seront abordés.
1-Les exoplanètes :
1-1-Méthodes de détection :
La détection directe d’exoplanètes s’avère très délicate car celles-ci sont relativement
proches d’une étoile. Ainsi, la lumière réfléchie par la planète est en grande partie masquée
par la lumière émise par l’étoile. Seules quatre des 252 exoplanètes détectées ont été
observées directement par imagerie. Mais les autres méthodes employées ne permettent
d’accéder qu’à un nombre restreint de paramètres caractéristiques de chaque planète :
-La plupart de ces exoplanètes (239) ont été détectées par vélocimétrie Doppler. La présence
d’une planète en orbite autour d’une étoile modifie son mouvement du fait des interactions
gravitationnelles et donc modifie par effet Doppler les fréquences du rayonnement émis par
l’étoile. Cette méthode permet d’accéder au paramètre Mpsin(i) où Mp est la masse de la
planète et i est l’inclinaison de l’orbite définie sur la figure ci-dessous.
inclinaison i
vue de profil
a
p
Figure 1 : schéma de détection d'une exoplanète
On n’obtient ainsi qu’une masse minimale possible de la planète. C’est pourquoi on détecte
par cette méthode surtout des planètes massives et proches de l’étoile.
-24 planètes ont été détectées par la méthode par occultations ou transits (c'est-à-dire lorsque
la planète passe devant son étoile et qu’elle l’occulte en partie) qui permet d’accéder au rayon
de la planète et de lever l’ambiguïté sur l’inclinaison i de l’orbite. On observe ainsi des

planètes proches de leur étoile. Nous verrons plus loin que cette méthode permet aussi de
recueillir des informations sur la présence et la composition d’une éventuelle atmosphère. On
peut remarquer que le croisement des données fournies par ces deux méthodes permet
d’obtenir la densité de la planète étudiée.
-4 planètes ont été détectées grâce à un effet prédit par la relativité générale : les lentilles
gravitationnelles. Cette méthode nous donne une densité de probabilité pour Mp.
-Une autre méthode utilise le chronométrage d’étoiles pulsantes (5 planètes détectées).
Figure 2 : Distribution des planètes en fonction de leur masse, le demi-grand axe de leur orbite ainsi que
leur méthode de détection
1-2-Étude de la méthode de détection par occultation :
Cette méthode repose sur la mesure de la variation de flux lumineux en provenance d’une
étoile lorsqu’une planète passe devant celle-ci.
Un ajustement de la courbe obtenue (voir Figure 3) permet d’obtenir les valeurs suivantes :
Rp/R*, R*/ap et b≡zmin où R* est le rayon de l’étoile, Rp celui de la planète et ap le demi-grand
axe de l’orbite.
Il est à noter que ces valeurs ne dépendent pas des paramètres stellaires tels que
l’assombrissement centre-bord (le fait qu’une étoile paraît plus brillante en son centre, car la
température y est plus élevée).
Par contre le flux lumineux dépend de la longueur d’onde observée pour deux raisons.
L’intensité lumineuse émise par l’étoile dépend bien sûr de la longueur d’onde mais le rayon
mesuré de la planète en dépend aussi si elle est dotée d’une atmosphère. En effet, si certains
composés sont présents dans l’atmosphère de la planète, ils absorbent alors une partie du flux
lumineux à certaines longueurs d’onde. Ainsi, pour ces longueurs d’onde, la planète occultera
plus son étoile et paraîtra alors plus grande.
Cette méthode permet donc, en comparant les rayons mesurés à différentes longueurs
d’onde, de déduire quelles longueurs d’onde sont absorbées par l’atmosphère de la planète et
donc d’éventuellement en déduire sa composition !

Figure 3 : Variation du flux lumineux reçu en fonction de la position de la planète
1-3-Relation avec d’autres thèmes :
L’étude des exoplanètes peut concerner d’autres thèmes importants en astrophysique tels
que :
-La théorie de formation des systèmes planétaires
-Autour de quelles étoiles se forment les planètes ?
-La structure de ces planètes
-L’exobiologie
2-L’Univers lointain sondé par les quasars :
2-1-Principe de la méthode :
Un quasar est un objet stellaire, en général très lointain, source d’un important rayonnement
électromagnétique. Le rayonnement observé présente alors différentes bandes d’absorption
dues aux différents milieux traversés par l’onde électromagnétique lors de son trajet du quasar
jusqu’au système solaire.
Lors de l’étude de ces raies d’absorption, un phénomène à prendre en compte est le décalage
vers le rouge des longueurs d’onde observées (appelé redshift). Ce phénomène est dû à
l’expansion de l’Univers. En effet, si l’Univers s’étend, alors la longueur d’onde d’une onde
émise à un instant donné s’étend aussi. Ainsi, plus une onde correspondant à un phénomène
physique particulier a été émise longtemps avant l’observation (c’est-à-dire que le phénomène
a eu lieu à une grande distance), plus cette longueur d’onde nous paraîtra décalée vers le
rouge (i.e. les longueurs d’onde croissantes).

On peut alors directement relier le redshift à la distance à laquelle se trouve le milieu
absorbant, voir Figure 4.
Figure 4 : Décalage vers le rouge d'une raie d'absorption en fonction de la distance à l'observateur
2-2-Application à la détection et la caractérisation d’objets astrophysiques :
Une première application est la détermination de la composition chimique des galaxies ou
des amas de gaz sondés par les quasars. En général les spectres obtenus comportent deux
parties distinctes. Une appelée Forêt Lyman contenant, entre autres, les raies d’absorption de
l’hydrogène et une autre contenant seulement des raies d’absorption de métaux (voir Figure
5).
Figure 5 : exemple de spectre d'un quasar

L’hydrogène étant bien plus abondant que les autres éléments, la Forêt Lyman présente un
très grand nombre de raies dues à l’absorption par l’hydrogène présent à de nombreux
redshifts différents (mais bien sûr inférieurs au redshift du pulsar ce qui fait que la Forêt
Lyman est une zone bornée). Ainsi il est délicat de tirer des informations claires de cette zone.
Par contre, l’étude du reste du spectre permet plus facilement la détermination de la
composition chimique des milieux traversés ainsi que leur distance.
De plus, la comparaison de spectre de quasars selon des lignes de visée proches permet
d’obtenir des informations sur la structure des objets sondés (des amas de gaz par exemple).
2-3-Application à l’étude de la constance des constantes fondamentales :
Une autre application de l’étude d’objets très lointains est l’étude de la constance des
constantes fondamentales.
Par exemple l’écart en énergie des doublets de structure fine des atomes peut être relié à la
constante α=e²/(ħc). Les mesures montrent que la variation relative hypothétique de cette
constante est inférieure à 10-5.
L’étude des raies de H2 montre que la variation relative de la constante µ=me/mp est au
plus de l’ordre de 10-5.
Conclusion :
Les deux exemples abordés pendant le séminaire illustrent ainsi la variété des thèmes
d’actualité en astrophysique : planétologie et exoplanètes, formation, dynamique et
caractérisation de systèmes stellaires ainsi que la cosmologie.