Planète
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EXOPLANETES Benoît MOSSER Observatoire de Paris [email protected] http://wwwusr.obspm.fr/~mosser/ http://media4.obspm.fr/public/FSU/ Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005 Plan • Planètes • Historique • Méthodes de détection, performances et biais • Le point sur les objets découverts : - propriétés statistiques - questions d’actualité • Projets Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005 Planètes Notre système solaire • Il y a une infinité de mondes, semblables ou non au nôtre (Epicure) • Il ne peut pas y avoir plus d’un monde (Aristote) • Planètes Nomenclature Masse Composition Orbite Histoire Telluriques 1022 -1025 kg Roches e=0 i=0 Agglomération de planétésimaux Géantes 1025 -1028 kg H, He / glaces e=0 i=0 Idem et/ou effondrement Astéroïdes Roches Résonance Résidus Objets de Kuiper Glaces Résonance Résidus Ex = Pluton Comètes Glaces Répartition uniforme (e, a, i) Objets primitifs • Notre système solaire est-il plutôt standard ou particulier ? • Planète ~ objet massif, de masse < 13 M_Jupiter, en orbite autour d’une étoile hôte Historique Pluralité des mondes ? • Il y a une infinité de mondes, semblables ou non au nôtre (Epicure) • Il ne peut pas y avoir plus d’un monde (Aristote) • « Les étoiles fixes sont autant de Soleils, notre Soleil est le centre d'un tourbillon qui tourne autour de lui ; pourquoi chaque étoile fixe ne sera-t-elle pas aussi le centre d'un tourbillon qui aura un mouvement autour d'elle ? » (Fontenelle) • 1011 galaxies • 1011 étoiles par galaxie Probablement de nombreux systèmes planétaires Historique Découvertes ! XXe siècle : recherches infructeuses ou ambigues de systèmes planétaires • 1992 : identification, par Wolszczan & Frail, de 3 planètes autour du pulsar PSR 1257+12, par chronométrage • 1995 : découverte de la première planète extrasolaire autour d'une étoile semblable à notre Soleil, par Michel Mayor et Didier Queloz (Observatoire de Genève), à l'Observatoire de HauteProvence, et confirmation par Geoff Marcy et Paul Butler (Observatoire Lick, Californie). • Planète géante autour d’une étoile de type solaire versus planète tellurique autour d’un pulsar ? • La découverte de 51PegB est retenue comme date clef Méthodes de détection ; biais • Voir directement une exoplanète est très difficile ! • Détecter une exoplanète revient à détecter comment son étoile est perturbée par sa présence Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005 Projets Détection directe • Distance étoile-planète : typiquement 0.1’’ à 10 pc • Rayonnement planétaire ~ contributions de 2 corps noirs : spectre stellaire réfléchi et spectre thermique • Contraste - visible ~10-9 - infrarouge ~10-5 • Contraste important des flux + faible séparation angulaire détection directe d’une planète très difficile Observations Méthodes de détection • La méthode actuellement la plus opérationnelle est la recherche par vitesse radiale Observations Vitesses radiales • Spectrométrie Doppler • Observables = - vitesse radiale maximale V// - période T • Hypothèse : la masse M de l’étoile est déterminée indépendamment détermination de la masse de la planète : • Mesure du mouvement de l’étoile autour du barycentre du système • La masse de la planète n’est mesurée qu’au facteur sin i près (angle entre la ligne de visée et l’axe de rotation planétaire) • La méthode à l’heure actuelle la plus prolifique Observations Performances : Doppler Mesure de vitesse radiale : • Les objets massifs ou proches de leur étoile sont privilégiés • La détection de longue période prend, de toutes façons, du temps Observations Transits • Photométrie • Observables = - Baisse relative du flux - Période ∆Φ/Φ = (Rp/R*)2 •Probabilité de transit p = Rp/a (p ~ 10− 4 pour Jupiter ou pour la Terre) • Occultation périodique du signal (1ère détection + confirmations) • Estimation du rayon planétaire • Le signal est facilement détectable en pratique, mais très improbable Observations Performances : transits • Méthode sensible, mais phénomène très rare • La faible probabilité de détection nécessite un programme de surveillance à très grande échelle Observations Astrométrie • Astrométrie • Observables : - position et mouvement de l’étoile α = m/M a/D • Simulation du mouvement du Soleil vu à 10 pc (31 années de lumière) Observations Performances : astrométrie • Méthode pas encore assez performante, mais opérationnelle dans un futur proche (projet Gaia de l’ESA) Observations Effet de lentille • Photométrie • Observables = double augmentation du flux de l’objet occulté, dont contribution planétaire • Détection unique, nécessite un suivi des candidats pour confirmation • Résultat annexe issu du programme OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) • 5 planètes détectées à ce jour Observations Performances • Les diverses méthodes sont complémentaires • La détection d’un objet tel la Terre reste très difficile, et nécessite un programme exhaustif d’études de transits Propriétés statistiques Début mai 2005 : environ 155 exoplanètes connues (msini mesuré), de masse inférieure à 13 M_Jupiter • 14 systèmes planétaires identifiés • ~7 % des étoiles de type solaire avec exoplanètes identifiées Essentiel des mesures = détection Doppler Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005 Exoplanètes Demi-grand axe • Un très grand nombre d’objets très proches de leur étoile (Jupiters chauds) Exoplanètes Périodes • La distribution des demi-grands axes et des périodes est biaisée par - la méthode de détection - la durée des programmes d’observation Exoplanètes Masses • La distribution des masses détectées est biaisée par la méthode de détection Exoplanètes Excentricités • Circularisation des orbites à courte période • Nombre élevé d’objets avec une excentricité élevée, alors que le processus de formation conduit à la circularisation des orbites « Jupiters chauds » et autres questions • Comment comprendre ces nouveaux objets appelés Jupiters chauds ? • Comment comprendre ces objets en regard de notre système solaire ? Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005 Objets Les Jupiters chauds • Important effort de modélisation • Peu d’observables pour contraindre les modèles des Jupiters chauds • Rotation propre synchronisée Fort contraste de température entre les 2 hémisphères • L’évaporation reste faible dans la plupart des cas Objets Systèmes planétaires • Statistique encore faible • Rien d’analogue au système solaire Objets Disques protoplanétaires • Important effort de modélisation : - autogravitation du disque protoplanétaire - turbulence - rôle du champ magnétique - couplages • Observables : disques protoplanétaire • Interaction entre la planète et le disque qui l’a formée • Migration des planètes vers l’étoile Jupiters chauds • Où, comment les planète se forment-elles ? Comment migrent-elles ? Comment arrêtent-elles leur migration ? Objets Planètes et métallicité • Nette corrélation entre la détection de planètes et la métallicité stellaire • Privilégie le mode de formation des planètes par nucléation Objets Zone habitable • Conditions : - orbite stable - ni trop proche, ni trop éloignée de l’étoile • Thème très porteur ! Projets et techniques • Comment voir une exoplanète / comment éteindre son étoile • But ultime : une planète présentant une signature de type biologique ! Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005 Programme en cours HARPS HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) ; ESO/Chili, télescope de 3.6 m • Spectromètre échelle à double dispersion R = 120 000 380 680 nm • Design optique et mécanique : stabilité et luminosité • Le meilleur instrument actuellement disponible (en service depuis 2 ans) • Mesures précises à 1 m/s près Techniques Coronographie • Extinction de l’étoile par coronographie • Première étape pour éteindre l’étoile et s’affranchir de son bruit de photons, mais … - La région éteinte est trop étendue - Le contraste n’est pas assez grand Techniques Annulation du signal stellaire • Interférométrie : - l’étoile est positionnée sur une frange sombre - l’environnement de l’étoile sur une frange claire • Difficultés pratiques : - précision du positionnement ; chromaticité… Techniques Frange centrale noire • Lame à quatre quadrants Frange centrale noire • Problème pratique : centrage et stabilité de positionnement • Achromaticité nécessité de recourir à des solutions technologiques innovantes Techniques Résultats en laboratoire • Des perspectives prometteuses… mais ne nombreuses difficultés techniques subsistent : imperfections du guidage, imperfections du train optique Techniques Extinction achromatiqe • Achromaticité : obtenue par le déphasage de par passage à un foyer Projets COROT • Petite mission du CNES / projet européen ; lancement mi-2006 • Photométrie et détection de transits • Détection chromatique • Observation de 60 000 étoiles jusqu’à la magnitude 15.5 • Résultats attendus : découvertes de nombreuses grosses Terres (~ 20 événements) Projets Kepler • Projet NASA, pour un lancement fin 2007 • Photométrie et détection de transits • Programme identique à celui de Corot, mais avec un plus gros collecteur, et une couverture totale du ciel • 1014 étoiles jusqu’à la magnitude 14 • Détection probable de planètes semblables à la Terre Projets Darwin • Projet de l’Agence Spatiale Européenne ; lancement possible ~ 2015 • Vol en formation au point de Lagrange L2 • Interférométrie imagerie infrarouge + spectrométrie infrarouge • Pour la recherche de planètes habitables, présentant des marqueurs d’activité biologique • De nombreux points durs restent à résoudre En guise de conclusion • La recherche et la physique des exoplanètes – un sujet de pointe en astrophysique actuellement – un sujet qui touche le grand public Vues actuelles : très biaisée par les possibilités observationnelles Formation, migration des exoplanètes : plus de questions que de réponses • Prochaines étapes observationnelles : • • – programme de recherche par la méthode des vitesses radiales – sur un très grand échantillon d’étoiles : transits – à long terme : astrométrie et interférométrie • Voir une planète va demander beaucoup de temps… ou de chance Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005
