La méthode des vitesses radiales
Une planète et son étoile tournent toutes deux autour de leur centre de masse commun. L’étoile décrit un petit cercle, s’approchant puis s’éloignant de nous, et ses raies spectrales se décalent légèrement vers le bleu puis vers le rouge par effet Doppler. C’est ainsi que Michel Mayor et Didier Queloz ont découvert en 1995, à l’Observatoire de Haute-Provence, la première planète autour d’une étoile de type solaire, 51 Pegasi b, ce qui leur a valu le prix Nobel de physique 2019.
L’amplitude de l’oscillation est la semi-amplitude K :
K = 28,43 m/s × (m sin i ÷ M_Jup) × (P ÷ 1 an)^(−1/3) × (M★ + m)^(−2/3) ÷ √(1 − e²)
- m sin i : masse de la planète multipliée par le sinus de l’inclinaison de l’orbite. L’inclinaison étant en général inconnue, la méthode donne une masse minimale.
- P : période orbitale.
- M★ : masse de l’étoile en masses solaires.
- e : excentricité de l’orbite.
Exemples
| Planète | Période | K sur une étoile de type solaire |
|---|---|---|
| Jupiter | 11,86 ans | 12,5 m/s |
| Saturne | 29,5 ans | 2,8 m/s |
| Jupiter chaud | 4 jours | environ 130 m/s |
| Terre | 1 an | 0,09 m/s |
Jupiter fait osciller le Soleil à environ 12,5 m/s, la vitesse d’un cycliste lancé, sur un cercle d’environ 743 000 km de rayon, juste au-delà de la surface solaire. L’effet de la Terre n’est que de 9 cm/s.
Limites de détection
- Les spectrographes classiques atteignent 3 à 10 m/s.
- HARPS, à La Silla, descend vers 1 m/s et a révélé de nombreuses super-Terres.
- ESPRESSO, au VLT, vise 10 cm/s, le niveau d’une Terre jumelle, mais les taches et la convection de l’étoile créent elles-mêmes un bruit d'1 m/s ou plus.
Lire le résultat
- Une période courte et une étoile peu massive donnent un signal plus fort : beaucoup de planètes découvertes par cette méthode tournent près de naines rouges.
- Un grand K avec une inclinaison inconnue peut correspondre à un compagnon bien plus massif vu presque de face.
- Combinée à un transit (voir le calculateur de transit d’exoplanète), la vitesse radiale donne la masse et le rayon, donc la densité de la planète.