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Calculer la vitesse radiale d'une exoplanète

Estimez la semi-amplitude K de la vitesse radiale qu'une planète provoque sur son étoile à partir de sa masse, de sa période orbitale et de la masse de l'étoile, et voyez si un spectrographe peut la détecter.

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Résultats

Semi-amplitude de vitesse radiale K

12,474 m/s

10 m/s ou plus : à la portée de la plupart des spectrographes de recherche de planètes
Même signal en cm/s
1 247,4 cm/s
Écart crête à crête
24,947 m/s
Distance orbitale
5,203 ua
Masse minimale m sin i
317,8 masses terrestres
Rayon de l'orbite de l'étoile autour du barycentre
743 151 km

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.

Questions fréquentes

Que signifie la semi-amplitude K ?

C'est la moitié de l'écart crête à crête de la vitesse de l'étoile le long de notre ligne de visée. Une étoile avec K = 12,5 m/s passe de +12,5 à −12,5 m/s à chaque orbite.

Pourquoi obtient-on une masse minimale ?

On ne mesure que le mouvement vers nous et à l'opposé, proportionnel au sinus de l'inclinaison. Sans connaître celle-ci, on obtient m sin i, une borne inférieure de la masse.

Peut-on détecter une Terre jumelle ainsi ?

Pas encore de façon fiable. Une Terre autour d'une étoile de type solaire produit environ 9 cm/s, alors que les meilleurs instruments atteignent 10 à 30 cm/s et que l'activité de l'étoile ajoute un bruit d'environ 1 m/s.

Qui a découvert la première exoplanète par cette méthode ?

Michel Mayor et Didier Queloz, avec le spectrographe ELODIE de l'Observatoire de Haute-Provence, ont annoncé 51 Pegasi b en 1995. Ils ont reçu le prix Nobel de physique 2019.

Ce calculateur vous a-t-il été utile ?

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.