Prix Nobel de Physique 2019 : -Interprétation théorique des connaissances cosmologiques -Découverte de la première exoplanète

La première exoplanète

C’est entre septembre 1994 et septembre 1995 que les astronomes suisses Michel Mayor et son élève Didier Queloz ont accumulé les données qui devaient les conduire à annoncer en octobre 1995 la découverte de la première planète en dehors du système solaire. Ils avaient utilisé un télescope Cassegrain de 1,93 m de diamètre muni d’un spectrographe à haute résolution installé à l’Observatoire de Haute Provence dans le sud-est de la France.

Ils ont pointé ce dispositif vers l’étoile 51 Pegasi de la constellation de Pégase, étoile située à 50 années lumière de la Terre et appartenant à notre galaxie.

Une galaxie est un assemblage d’étoiles, de gaz, de poussières, de vide et de matière noire.  La Voie Lactée, notre galaxie, où se trouve le Système Solaire, compte des centaines de milliards d’étoiles et a une taille de l’ordre de 80000 années-lumière (une année-lumière = 9461 milliards de kilomètres). On estime que l’Univers contient quelques centaines de milliards de galaxies.

 

Fig.1. Ciel étoilé en octobre au-dessus de Stocholm. La constellation de Pégase est bien visible. Par un ciel clair on peut distinguer à l'œil nu l'étoile 51 Pegasi. Tiré de The Nobel Prize in Physics 2019. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Thu. 10 Oct 2019. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/press-release/

Fig.1. Ciel étoilé en octobre au-dessus de Stockolm. La constellation de Pégase est bien visible. Par un ciel clair on peut distinguer à l’œil nu l’étoile 51 Pegasi.
Tiré de The Nobel Prize in Physics 2019. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Thu. 10 Oct 2019. www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-physicsprize2019.pdf

Pour mettre en évidence une planète orbitant autour de 51 Pegasi, ils ont utilisé la méthode dite des vitesses radiales. Si une planète orbite autour d’une étoile, la mécanique classique impose que les deux astres orbitent autour de leur centre de gravité, ce qui entraîne un mouvement de l’étoile. Celui-ci est moins important que celui de la planète à cause de la plus grande masse de l’étoile mais il existe. Si l’étoile n’a pas de planète, elle ne présente pas ce mouvement. On peut mettre  en évidence le mouvement de l’étoile en utilisant l’effet Doppler. Au moyen d’un spectroscope, on analyse la lumière de l’étoile. Si celle-ci recule par rapport à l’observateur, on aura un décalage des raies spectrales vers le rouge (plus basses fréquences), si elle avance, on aura un décalage vers le bleu (plus hautes fréquences). La figure 2 ci-dessous schématise la méthode.

Fig.2. La méthode des vitesses radiales. Adapté de The Nobel prize in Physics 2019 The Royal Swedish Academy of Sciences www.kva.se www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-physicsprize2019.pdf

Fig.2. La méthode des vitesses radiales.
Adapté de The Nobel prize in Physics 2019 The Royal Swedish Academy of Sciences www.kva.se www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-physicsprize2019.pdf

La planète nommée 51 Pegasi b est à 50,9 années-lumière de la Terre. Très proche de son étoile, elle effectue sa révolution en 4 jours et demi seulement.
Sa masse vaut environ la moitié de celle de Jupiter, soit 150 fois celle de la Terre.
C’est une planète géante gazeuse dont la température est de 1000°C.

Depuis cette première observation, on a découvert plus de 4000 exoplanètes dont un tiers par la méthode des vitesses radiales.
L’une des plus utilisées maintenant est celle  des transits planétaires. Celle-ci peut s’appliquer si on a la chance d’observer un système étoile-planète dont le plan équatorial est proche de la ligne de visée. On peut alors assister à un transit de la planète devant son étoile au cours duquel une petite fraction de la lumière de l’étoile est occultée par la planète, ce qui diminue légèrement le signal lumineux de l’étoile le temps du transit.

Quand le nouveau télescope spatial James Web Space Telescope sera sur orbite, on peut espérer avoir des vues directes d’exoplanètes…..

Michel Mayor et  Didier Queloz se partagent la moitié du prix Nobel de Physique, l’autre moitié est attribuée à l’astrophysicien théoricien James Peebles

 

L’essor de la cosmologie

La cosmologie est l’étude de l’origine de l’univers et de son évolution. Elle a connu un âge d’or depuis les cinquante dernières années.
James Peebles a construit depuis les années 1960 un cadre théorique qui a fortement aidé à établir et conforter ce qui constitue le “modèle standard” de l’évolution de l’univers à partir du Big Bang. La figure ci-dessous résume l’histoire de l’Univers admise actuellement par la théorie et confirmée par les observations.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:History_of_the_Universe_fr.svg

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:History_of_the_Universe_fr.svg

Peebles a inspiré toute une génération de physiciens à se lancer dans ce sujet, non seulement en faisant  des calculs théoriques mais aussi en se livrant à de nombreuses observations astronomiques et mesures délicates. On peut citer parmi les résultats remarquables l’observation (1988) que les galaxies s’éloignent les unes des autres, ce qui montre que l’univers est en expansion ou encore l’étude à grande résolution par les satellites  COBE et PLANCK du fond diffus cosmologique, rayonnement du fond du ciel émis 380 000 ans après le Big Bang, fond diffus dont J. Peebles avait prédit le premier l’ordre de grandeur de la température de corps noir.
Pour résumer, le modèle actuel de l’univers  a son origine dans le Big Bang, l’univers est en expansion, il faut pour justifier tout cela que l’univers soit plat et qu’il existe de mystérieuses énergie noire et matière noire, cette dernière étant 5 fois plus nombreuse  que la matière ordinaire.

Les travaux de James Peebles ont constamment préparé et interprété toutes ces découvertes.

 

 

Pour en savoir plus :

Popular Background on the Nobel Prize in Physics 2019
https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-physicsprize2019.pdf

Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2019
https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-physicsprize2019-3.pdf