Étude des comètes avec le Télescope TRAPPIST-Nord
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Étude des comètes avec le Télescope TRAPPIST-Nord Moulane Youssef Thèse en co-tutelle entre : Le Laboratoire de Physique des Hautes Énergies et d’Astrophysique Université Cadi Ayyad-Marrakech et l’Institut d’Astrophysique de Liège Sous la direction de : Benkhaldoun Zouhair et Emmanuel Jehin [email protected] Résumé Les comètes sont des planétésimaux les mieux conservées de la nébuleuse solaire primitive. Ce statut d’astres fossiles leur confère un rôle unique pour comprendre les origines du système solaire. Le succès de la mission spatiale Rosetta est en train de d’améliorer nos connaissances sur les comètes. Les observations depuis le sol sont aussi importantes : elles permettent de compléter les données in situ en obtenant des informations sur une échelle de temps plus grande, et pour un bien plus grand nombre de comètes, ce qui est nécessaire pour extrapoler les résultats à l’ensemble de la population cométaire. Le lien entre la composition des comètes et leur histoire dynamique doit ainsi toujours être clarifié et une classification complète est toujours manquante. 1. Introduction 3. TRAPPIST-Nord L’étude des petits corps du système solaire est d’une grande actualité aujourd’hui. Il permet de mieux cerner la naissance du système solaire. Les comètes en particulier, ont joué un rôle essentiel non seulement au cours du processus de formation, mais peut-être aussi dans l’évolution biologique de notre vie à partir de l’hypothèse de l’origine d’eau sur Terre. Lorsqu’elles s’approchent du soleil (à 5 UA environ), leur température de surface augmente et la glace d’eau commence à se sublimer de plus en plus vite, deux queues commencent à se former à cause de la pression de radiation solaire et l’interaction rayonnement-matière. Cette activité cométaire permet d’étudier les propriétés physico-chimiques, les conditions de naissance, utilisant différents modèles élaborés pour comprendre l’évolution de notre univers. 2. Les comètes Les comètes sont des petits corps célestes, d’un diamètre de l’ordre de quelques kilomètres, constitué essentiellement de glace d’eau et de roches. Comme les planètes, elles sont soumises au champ de gravitation solaire. Elles se déplacent sur des orbites très excentriques, qui les emmènent, dans certains cas, à de très grandes distances héliocentriques, au-delà de l’orbite des planètes géantes. 2.1 Origines des comètes TRAPPIST-Nord (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope) est un projet dirigé par le groupe "Origines Cosmologiques et Astrophysiques"(OrCA) relevant du Département d’Astrophysique, de Géophysique et d’Océanographie (AGO) de l’Université de Liège (Belgique), en étroite collaboration avec l’Observatoire Universitaire Cadi Ayyad (OUCA). TRAPPIST-Nord est dédié à la détection et la caractérisation des planètes en orbite autour d’autres étoiles que notre Soleil (exoplanètes) et à l’étude des comètes et autres petits corps de notre système solaire. Il s’agit d’un télescope robotique de 60 cm de diamètre et sera installé prochainement à l’Observatoire d’Oukaimden (Avril 2016). 3.2 Instrumentations Nos connaissances actuelles sur l’origine des comètes indiquent que celles-ci proviennent de deux grands réservoirs différents : le nuage d’Oort et la ceinture de Kuiper. Le premier réservoir entoure notre système solaire. C’est le nuage d’Oort, du nom de l’astronome néerlandais Jan Oort, il suppose une contradiction apparente : les comètes sont détruites par plusieurs passages par le système solaire interne. Pourtant si les comètes que nous observons existaient depuis l’origine du système solaire, toutes auraient été détruites à ce jour. Instrument Télescope Monture Il doit donc exister une source de nouvelles comètes. De plus, les calculs orbitaux d’Oort montraient que de nombreuses comètes à très longue période et à inclinaison aléatoire s’éloignent du Soleil à des distances comprises entre 20000 et 100000 unités astronomiques, aux limites de la sphère d’influence gravitationnelle du Soleil. Ce nuage fournit les comètes à longe période c’est-à-dire leur période de révolution supérieure à 200 ans. La ceinture de Kuiper est le deuxième réservoir de comètes. On peut la représenter comme un tore, entourant le plan de notre système solaire, et qui se serait formé en même temps que celuici au-delà de Neptune. L’unique explication alternative était celle d’un autre "réservoir", bien plus proche du soleil et ayant une forme aplatie écliptique. La ceinture d’Edgeworth-Kuiper devient donc l’hypothétique réservoir des comètes à courte période c’est-à-dire leur période de révolution est inférieur à 200 ans. 2.2 Morphologie des comètes Caméra CCD Filtres Élément Modèle Type Diamètre Rapport focal Poids Modèle Type Vitesse Précision du suivi Poids Modèle Type Taille Refroidissement Poids Modèle Type Épaisseur Filtres (roue 1) Filtres (roue 2) Poids Caractéristique Astelco RC Télescope Ritchey-Chretien 60 cm F/8 75 kg Astelco NTM-50 Equatoriale allemande 50 deg/sec 1 arcsec/10 min 85 kg FLI ProLine PL3041-BB Fairchild Imaging 3041 2048 x 2048 pixels -55 ◦C 3 kg Apogee AI-FW50-10S Filtres carré de 50 mm 7 mm Exoplanet Filter Exo Filtres cométaires 2.3 kg TABLE 2: Instrumentations du TRAPPIST-Nord En s’approchant du Soleil, les comètes s’entourent d’une coma et de deux queues distantes se développant dans la direction opposée au Soleil. Lorsque la comète se rapproche du Soleil, le rayonnement reçu de celui-ci réchauffe sa surface. Dès que la température est suffisante, les gaz congelés dans le sol se subliment et emportent avec eux des particules solides. Ces gaz et poussières ainsi éjectés forment autour du noyau une atmosphère instable que l’on appelle la coma. L’influence du rayonnement solaire y est différente selon la masse des particules. 4. Objectif de thèse Les observations réalisées ont montré que les comètes sont en majorité constituées d’eau, , mais aussi d’autres éléments volatils présents dans le noyau comme CO2, CO, HCN , CH3OH, CS2, H2S et même certaines molécules carbonées complexes, briques essentielles pour la vie. Dans la (coma), les molécules ont une duré de vie limité car elles sont photo-ionisé ou photo-dissocié par le rayonnement solaire en créant des ions comme H2O+ et CO+, des radicaux comme OH, SO, CS ou des atomes comme l’oxygène et l’hydrogène. Les trajectoires des comètes connues sont généralement fortement elliptiques, les faisant passer périodiquement à proximité du Soleil. Le dégazage des composants légers (eau, gaz carboniques essentiellement) conduit alors à la formation d’un nuage de poussières (coma) qui peut s’étendre sur des distances considérables, pour former une queue, sous l’effet de la pression de radiation et du vent solaire. La production de ces particules (molécules, radicaux, atomes ...) est due à plusieurs mécanismes d’interaction et de collision des particules, d’une part avec le rayonnement solaire et d’autre part entre eux. Le tableau 1 présente les exemples des différents types de mécanisme dans la coma interne. Processus Photodissociation Photoionisation Choc électronique Réaction ion-neutre Recombinaison dissociative Réaction neutre-neutre 3.1 Thématique Exemple HCN + hν −→ H + CN C + hν −→ C + + e CO + e −→ CO+ + 2e H2O+ + H2O −→ H3O+ + OH CO2+ + e −→ CO + O N + OH −→ N O + H TABLE 1: Processus de production des particules(molécules, atomes, ions) Ma thèse de doctorat se focalisera sur la mise en place et la gestion du programme comète du programme TRAPPIST, et sur l’exploitation scientifique des données résultantes en coordination avec l’équipe de Liège (Institut d’astrophysique de Liège). Cela inclura la sélection des cibles, l’implémentation des plans d’observation, la réalisation des suivis photométriques et astrométriques des comètes visibles depuis l’hémisphère Nord. Pour les comètes relativement brillantes, nous mesurons une fois par semaine les taux de production et la distribution spatiale de plusieurs espèces gazeuses. D’après des observations quantitatives qui nous permettront de déterminer le taux de production de poussière et de suivre les variations du taux de production de chaque gaz en fonction de la distance héliocentrique. Ainsi nous pourrons déterminer les compositions chimiques des comètes et la classe à laquelle elles appartiennent. Cela apportera d’importantes informations sur la nature des comètes. Les courbes de lumière extraites de ces données permettront d’évaluer la quantité de poussières et de gaz d’une comète donnée. Toutes ces données seront publiés et viendrons enrichire la littératures scientifique dans ce domaine. Références [1] C. Arpigny. Modèles cométaires : Noyau, coma et queues. Ciel et Terre, Vol. 101, 159-180,1985 [2] N. Biver. La spectroscopie cométaire. EAS, EDP Sciences, Vol. 47, 165-188, 2011. [3] A’Hearn et al. Comet bowell 1980b. The Astronomical Journal, Vol. 89, 579-591, 1984. [4] S. Grudzinska. L’abondance des ions CO+ dans les queues cométaires. Annales d’Astrophysique, Vol. 23, 797801, 1960. [5] L. Haser. Distribution d’intensité dans la tête d’une comète. Bulletin de l’Académie Royale de Belgique, Vol. 43, 740-750, 1957. [6] Nicolas Biver, Molécules Mères Cométaires : Observations et Modélisations, 1997. [7] Céline Laffont, Étude d’émissions gazeuses dans les régions de trois comètes : Halley, Hyakutake, Hale-Boppe, 1998. [8] http ://www.orca.ulg.ac.be/TRAPPIST/Trappist_Main_Fr/Home.html LPHEA 2016 Journée d’astrophysique
