grand oral physique-chimie
Bonjour, il y a quelques jours je vous ai demandé des conseils pour améliorer mon GO de physique-chimie sur la détection des exos planetes et j'ai donc tenu compte de tout ça et cela donne ça :
Depuis quelques années, les astronomes découvrent de plus en plus de planètes situées en dehors du système solaire. Pourtant, ces objets restent très difficiles à observer directement.
Une exoplanète est une planète située en dehors du système solaire, qui orbite autour d’une autre étoile que le Soleil.
Je vais donc m’intéresser à la manière dont on peut détecter ces planètes que l’on ne voit pas directement.
Nous allons donc nous demander :
comment détecter une planète invisible ?
Pour y répondre, j’expliquerai d’abord pourquoi ces planètes ne sont pas observables directement, puis je présenterai les méthodes physiques permettant de détecter leur présence, et enfin comment on peut obtenir des informations sur leur compositionet leur habitabilité.
I.Pourquoi ces planètes sont-elles difficiles à observer ?
Les exoplanètes sont très difficiles à observer directement depuis la Terre. En effet, contrairement aux étoiles, une planète ne produit pas sa propre lumière. Elle réfléchit seulement une petite partie de la lumière de son étoile qui produit sa propre lumière avec des réactions de fusion nucléaires, des noyaux d’hydrogène fusionnent pour former de l’hélium, en libérant une très grande quantité d’énergie sous forme de lumière ou de chaleur.
Le problème est que l’étoile est énormément plus lumineuse que la planète qui l’entoure. Ainsi, lorsqu’on observe un système planétaire depuis la Terre, la lumière de l’étoile masque presque totalement la planète.
Les astronomes ont donc dû trouver des méthodes indirectes permettant de détecter une planète sans la voir directement.
II.Détecter une planète grâce à l’effet Doppler-Fizeau:
Même si une exoplanète est invisible, elle exerce tout de même une force gravitationnelle sur son étoile.
Les deux tournent autour de leur centre de masse commun, appelé barycentre. Comme la planète est beaucoup moins massive que son étoile, le barycentre est situé très près du centre de l'étoile. L'étoile n'est donc pas immobile : elle effectue un léger mouvement de va-et-vient autour de ce barycentre. C'est précisément ce mouvement que les astronomes détectent grâce à la méthode des vitesses radiales.
D’après la troisième loi de Newton, si l’étoile attire la planète, alors la planète attire également l’étoile. Ainsi, l’étoile ne reste pas parfaitement immobile : les deux effectuent un mouvement autour du centre des masses du système.
Ce mouvement est essentiel car il peut être détecté grâce à la méthode des vitesses radiales qui consiste à observer l'effet doppler sur les ondes lumineuses qui nous proviennent.
- Principe de l’effet Doppler
L'effet Doppler correspond à la modification de la fréquence, ou de la longueur d'onde, d'une onde lorsque la source est en mouvement par rapport à l'observateur.
-Un exemple très utilisé est celui d'une ambulance.
Lorsqu'elle s'approche de nous, les ondes sonores sont comme « comprimées » : -leur fréquence augmente et le son paraît plus aigu.
À l'inverse, lorsqu'elle s'éloigne, les ondes sont « étirées » :
-leur fréquence diminue et le son paraît plus grave.
Pour une source en mouvement et un observateur fixe la relation est :
fR = fE × (c/(c-v)), où fR est la fréquence perçue, fE la fréquence émise, c la vitesse du son (environ 343 m/s à 20°C)quand la source se rapproche
fR = fE × (c/(c+v)) quand la source s’éloigne.
Le même phénomène existe avec la lumière.
- Application à la lumière : effet Doppler-Fizeau
Cet effet permet de déterminer la vitesse de rapprochement ou d’éloignement d’une étoile par rapport à la Terre, et donc de détecter la présence éventuelle d’une planète en orbite autour de cette étoile.
Pour cela, les astronomes analysent le spectre lumineux de l'étoile. Un spectre est la décomposition de la lumière selon ses différentes longueurs d'onde (distance parcourue par l'onde pendant une période d'oscillation),autrement dit selon ses différentes couleurs.
Lorsqu’une étoile se rapproche de la Terre :
les longueurs d’onde lumineuses diminuent ;
le spectre est décalé vers le bleu.(blueshift)
À l’inverse, lorsque l’étoile s’éloigne :
les longueurs d’onde augmentent ;
le spectre est décalé vers le rouge. (redshift)
Ce phénomène est appelé :
effet Doppler-Fizeau.
Ainsi, en mesurant le décalage des raies spectrales, les astronomes peuvent déterminer la vitesse radiale de l'étoile.La vitesse radiale étant la vitesse de l’astre projetée dans la direction de l’observateur, l'objet s'éloigne ou se rapproche de nous observateur et donc sa vitesse radiale peut être négative (se rapproche) ou positive (s'éloigne) et donc c'est représenter par une courbe sinusoïdale.
Si le mouvement se répète régulièrement au cours du temps, on dit qu'il est périodique.cela signifie qu’un objet exerce une attraction gravitationnelle régulière sur elle : on peut donc en déduire la présence d’une planète.
Les décalages mesurés sont extrêmement faibles. Par exemple, pour une étoile dont la vitesse radiale est de quelques dizaines de mètres par seconde, le décalage des raies spectrales est de l'ordre de quelques dix-millièmes de nanomètre. Les astronomes utilisent donc des spectrographes extrêmement précis capables de détecter ces très faibles variations.
Pour mieux comprendre, voici la formule pour la vitesse radiale du système étoile-exoplanéte : DeltaY/Y = V/c , (Y c'est lambda en gros)
ou deltaY est le décalage spectral de formule DeltaY= Y- Ymesuré , c est la célérité de l’onde et V la vitesse radiale
Elle a notamment permis de découvrir de nombreuses exoplanètes depuis les années 1990comme 51 Pegasi B par exemple. Les astronomes ont observé que les raies spectrales de son étoile étaient périodiquement décalées. Ce décalage correspond à une variation de vitesse radiale d'environ56m/s. Cela signifie que l'étoile se rapproche puis s'éloigne périodiquement de la Terre à environ 56 m/s sous l'effet de l'attraction gravitationnelle de sa planète. À partir de cette vitesse, ils ont pu calculer la masse minimale de la planète ainsi que sa période de révolution, d'environ 4,23 jours.
Par contre, elle a des limites, et il n'est encore pas possible de découvrir des planètes telluriques comme la Terre à une distance de 1 UA. Il faut donc une planète très massive et grande.
Jusqu'à présent, nous avons utilisé le spectre de l'étoile pour détecter la présence d'une exoplanète grâce à l'effet Doppler-Fizeau. Mais les spectres ne servent pas uniquement à détecter une planète : ils permettent aussi d'obtenir des informations sur sa composition chimique. C'est le principe de la spectroscopie de transit.
III.Déterminer la composition d’une exoplanète.
Une fois la planète détectée, les scientifiques peuvent également obtenir des informations sur sa composition chimique.
Pour cela, ils utilisent la spectroscopie de transit.
Le transit est le moment ou l'exo planète passe devant son étoile par rapport à nous. À cet instant, une petite partie de la lumière de l'étoile traverse l'atmosphère de la planète avant de nous parvenir.
Chaque élément chimique absorbe certaines longueurs d’onde précises de la lumière. Ainsi, lorsqu’une lumière traverse l’atmosphère d’une planète, certains rayonnements sont absorbés.
Cela s'explique par le fait que les électrons des atomes ne peuvent absorber que des quantités d'énergie bien précises. Chaque élément absorbe donc des longueurs d'onde qui lui sont propres.
Chaque élément possède des raies caractéristiques :
le sodium,
l’hydrogène,
le méthane,
ou encore la vapeur d’eau.
En comparant les raies observées avec des spectres de référence réalisés en laboratoire, les scientifiques peuvent identifier les gaz présents dans l’atmosphère de l’exoplanète.
Cette méthode permet donc d’étudier :
la composition chimique,
la température,
et de s’intéresser ensuite à la potentielle habitabilité de la planète.
Cette méthode est aujourd'hui utilisée par le télescope spatial James Webb, qui analyse les atmosphères d'exoplanètes.
Conclusion
Même si les exoplanètes sont invisibles à l’observation directe, la physique permet de détecter leur présence grâce aux effets qu’elles produisent sur leur étoile.
L’effet Doppler-Fizeau permet notamment d’observer le mouvement d’une étoile sous l’action gravitationnelle d’une planète invisible. De plus, l’analyse des spectres lumineux permet d’obtenir des informations sur la composition chimique de ces planètes.
Ainsi, grâce à la lumière et aux lois de la physique, les scientifiques parviennent aujourd’hui à étudier des mondes situés à des années-lumière de la Terre.
Cette détection constitue cependant une première étape. Les astronomes cherchent ensuite à savoir si ces planètes pourraient être habitables. En utilisant la troisième loi de Kepler, ils déterminent leur distance à leur étoile à partir de leur période de révolution, afin de vérifier si elles se situent dans la zone habitable, où l'eau liquide pourrait exister à leur surface.