Transparents - indico in2p3
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Les systèmes planétaires extrasolaires Clément Baruteau CNRS / Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie Summer Camp OCEVU, IRAP, 13/06/2016 1 Plan Méthodes de détection des exoplanètes Caractérisation des exoplanètes Formation et évolution des systèmes planétaires 2 © Ministère de la Culture Télescope de 193 cm à l’Observatoire de Haute Provence © CNES Télescope spatial CoRoT MÉTHODES DE DÉTECTION DES EXOPLANÈTES 3 Détecter les exoplanètes par le spectre de leur étoile 📡 ligne de visée © ESO Les planètes et leur étoile tournent autour du centre de masse du système planétaire: → Décalage Doppler périodique des lignes d’absorption du spectre de l’étoile → Vitesse radiale de l’étoile le long de la ligne de visée → Masse minimale, période orbitale et excentricité de la/des planètes 4 Détecter les exoplanètes par le spectre de leur étoile ← Vitesse radiale de l’étoile 51-Pegasi Mayor & Queloz 95 masse minimale ~ 0.5 MJupiter demi-grand axe ~ 0.05 UA Vitesse radiale période orbitale ~ 4 jours! excentricité ~ 0.01 ≡ temps / période orbitale rappel: 1UA = distance moyenne Terre-Soleil = 150 millions de km 5 Détecter les exoplanètes par le spectre de leur étoile ← Vitesse radiale de l’étoile 51-Pegasi Mayor & Queloz 95 masse minimale ~ 0.5 MJupiter demi-grand axe ~ 0.05 UA Vitesse radiale période orbitale ~ 4 jours! excentricité ~ 0.01 → 51-Pegasi-b est un “Jupiter chaud” (température de surface ~1300K) ≡ temps / période orbitale 6 Détecter les exoplanètes par le spectre de leur étoile données extraites de exoplanets.org 7 Détecter les exoplanètes par le transit de leur étoile © Spitzer Space Telescope Website transit éclipse secondaire 8 Détecter les exoplanètes par le transit de leur étoile Les 6 planètes autour de l’étoile Kepler-11 Lissauer+ 11 9 Détecter les exoplanètes par le transit de leur étoile Les 6 planètes autour de l’étoile Kepler-11 Lissauer+ 11 10 Détecter les exoplanètes par le transit de leur étoile Les 6 planètes autour de l’étoile Kepler-11 Lissauer+ 11 Diminution du flux de l’étoile ~ (Rplanète/Rétoile)2 → Rplanète si Rétoile est connu, période orbitale 11 Détecter les exoplanètes par le transit de leur étoile Les 6 planètes autour de l’étoile Kepler-11 Lissauer+ 11 Diminution du flux de l’étoile ~ (Rplanète/Rétoile)2 → Rplanète si Rétoile est connu, période orbitale 12 Détecter les exoplanètes par le transit de leur étoile Les 6 planètes autour de l’étoile Kepler-11 Lissauer+ 11 Diminution du flux de l’étoile ~ (Rplanète/Rétoile)2 → Rplanète si Rétoile est connu, période orbitale → Vraie masse de la planète en combinant transit + vitesse radiale 13 Détecter les exoplanètes par le transit de leur étoile Les 6 planètes autour de l’étoile Kepler-11 Lissauer+ 11 14 Planet radius [Jupiter radius] Détecter les exoplanètes par le transit de leur étoile 1 RNeptune -1 10 REarth Single transiting systems Multiple transiting systems 10-2 10-1 données extraites de exoplanets.org 1 planètes de la taille de Mercure 10 Orbital period [days] PEarth 102 103 15 Détection des exoplanètes par imagerie Problème 1: une étoile est typiquement 106 à 109 plus brillante qu’une planète 16 Détection des exoplanètes par imagerie Problème 1: une étoile est typiquement 106 à 109 plus brillante qu’une planète Problème 2: observer une planète à 5 UA d’une étoile située à 50 parsecs de nous requiert une résolution angulaire de ~0.1” ≡ 5x10-7 radians 17 Détection des exoplanètes par imagerie Les 4 planètes connues à ce jour autour de l’étoile HR 8799 4-7 MJup @ 68 UA 7-10 MJup @ 38 UA 7-10 MJup @ 14 UA 7-10 MJup @ 24 UA Marois+ 10 Les masses des planètes sont estimées par leur luminosité 18 CARACTÉRISATION DES EXOPLANÈTES 19 Environ 1800 exoplanètes confirmées en 20 ans 1 sur 4 fait partie d’un système multi-planétaire 1.0 1.0 Jupiter 0.8 0.8 102 0.6 0.6 10 0.4 0.4 Eccentricity Planet mass [Earth mass] 103 Earth 1 0.2 0.2 10-1 07/2014 Mercury 1 données extraites de exoplanets.org 10 102 103 104 Orbital period [days] 105 0.0 0 1 2 3 4 0.0 20 Environ 1800 exoplanètes confirmées en 20 ans 1 sur 4 fait partie d’un système multi-planétaire 1.0 1.0 Jupiter 0.8 0.8 102 0.6 0.6 10 0.4 0.4 Eccentricity Planet mass [Earth mass] 103 Earth 1 +: planètes détectées seulement par transit (leur masse est déduite de la relation masserayon pour les planètes pour lesquelles à la fois le rayon et la masse sont connues) 10-1 0.2 0.2 07/2014 Mercury 1 données extraites de exoplanets.org 10 102 103 104 Orbital period [days] 105 0.0 0 1 2 3 4 0.0 21 De quoi sont constituées les exoplanètes? Composition des exoplanètes via leur densité moyenne Lammer+ 13 Un modèle possible de structure pour l’exoplanète GJ1214b (6 fois plus massive que la Terre, mais 3 fois moins dense!) 22 De quoi sont constituées les exoplanètes? Composition de l’atmosphère des exoplanètes Adapted from Lammer+ 13 23 De quoi sont constituées les exoplanètes? Composition de l’atmosphère des exoplanètes “Spectre” de l’atmosphère de HD 189733b Adapted from Lammer+ 13 Swain+ 08 24 (Exo-)planètes habitables Adapted from Quintana+ 14 25 FORMATION ET ÉVOLUTION DES SYSTÈMES PLANÉTAIRES 26 Des nuages moléculaires aux disques protoplanétaires A U 0 1 s r u e i s u pl 5 The Eagle (M16) nebula © NASA, ESA, STScI 27 Des nuages moléculaires aux disques protoplanétaires ≲ 105 ans The Eagle (M16) nebula © NASA, ESA, STScI 28 Formation et évolution planétaires formation planétaire accretion de planétesimaux et/ou de cailloux? effondrement du disque? disque protoplanétaire 29 Formation et évolution planétaires interactions disque-planète formation planétaire changent le demi-grand axe des planètes (migration planétaire) accretion de planétesimaux et/ou de cailloux? diminuent excentricités et inclinaisons ? effondrement du disque? disque protoplanétaire 30 Formation et évolution planétaires interactions disque-planète changent le demi-grand axe des planètes (migration planétaire) diminuent excentricités et inclinaisons formation planétaire accretion de planétesimaux et/ou de cailloux? effondrement du disque? interactions planète-planète changent aussi les demi-grand axes! croissent excentricités et inclinaisons disque protoplanétaire 31 Formation et évolution planétaires dispersion du disque . interactions avec l’étoile centrale (marées, évolution stellaire) où avec des étoiles distantes . interactions planète-planète . interactions planète-disque de débris 32 Des questions? © ESO Références suggérées: Armitage 2001, Dynamics of Protoplanetary Disks, http://arxiv.org/abs/1011.1496 Armitage 2007, Lecture notes on the formation and early evolution of planetary systems, http://arxiv.org/abs/astro-ph/0701485 Baruteau et al. 2014, Planet-disc interactions and the early evolution of planetary systems, http://arxiv.org/abs/1312.4293 Johansen et al. 2014, The multifaceted planetesimal formation process, http:// arxiv.org/abs/1402.1344 Turner et al. 2014, Transport and Accretion in Planet-Forming Disks, http://arxiv.org/ abs/1401.7306 33
