Physique stellaire et planètes extrasolaires : les succès de la

CoRoT doit en outre observer de façon quasi-continue
les mêmes étoiles, c’est-à-dire pouvoir rester pointé sur le
même champ jusqu’à 5 à 6 mois d’affilée. Ces diverses exi-
gences obligent à travailler dans l’espace.
L’instrument
CoRoT est constitué d’un télescope d’une surface col-
lectrice de 590 cm2 suivi d’un objectif dioptrique qui forme
l’image du champ observé dans le plan focal, constitué de
quatre CCD à transfert de trame, technique qui permet de
minimiser les temps morts dans le comptage des photons
(figure 1). Le télescope est protégé de la lumière diffusée
de la Terre par un baffle extrêmement performant qui ne
laisse pas passer plus d’un photon sur mille milliards qui
en franchissent l’entrée. Le champ total est de 7 degrés car-
rés. La moitié est optimisée pour l’étude des oscillations
stellaires. On y observe 10 étoiles (5 par CCD) relativement
brillantes (5,4 < mV < 9,5) avec un échantillonnage de une
seconde. L’autre moitié est optimisée pour la recherche de
transits planétaires. On y observe simultanément jusqu’à
CoRoT est un satellite d’Astrophysique de taille moyenne et de coût modeste, financé en grande partie
par la France (CNES) avec une contribution européenne et brésilienne. En orbite à 896 km d’altitude,
il s’attache à obtenir des observations de très longue durée quasiment continues. Il conduit deux missions
scientifiques différentes mais qui font appel aux mêmes techniques : la détection des vibrations des étoiles
pour en comprendre la structure à l’aide de la sismologie et la recherche de planètes de petite taille autour
d’autres étoiles que le Soleil.
Physique stellaire et planètes
extrasolaires : les succès
de la mission spatiale CoRoT
Article proposé par :
Claire Moutou, [email protected]
Laboratoire d’Astronomie de Marseille (LAM), UMR 6110 de l’Observatoire Astronomique de Marseille-Provence, CNRS / OAMP /
Univ. Aix Marseille 1, Marseille
Michel Auvergne, [email protected]
Annie Baglin, [email protected]
Claude Catala, [email protected]
Éric Michel, [email protected]
Laboratoire d’Études Spatiales et d’Instrumentation pour l’Astrophysique (LESIA), UMR 8109, CNRS / Obs. de Paris / Univ. Paris 7 /
UPMC, Meudon
La mission spatiale CoRoT, lancée le 27 décembre 2006 a été développée et ses opérations sont assurées par le CNES avec la participa-
tion de l’Agence Spatiale Européenne (RSSD et ESA Science programme) de l’Allemagne, de l’Autriche, de la Belgique, du Brésil et de
l’Espagne.
La mission spatiale
Objectifs et exigences
La mission CoRoT poursuit deux objectifs princi-
paux : la recherche de transits d’exoplanètes, par la
mesure de la très faible diminution du flux lumi-
neux d’une étoile lorsqu’une planète en orbite autour
d’elle intercepte la ligne de visée, et l’astérosismologie,
c’est-à-dire la mesure des oscillations de très faible ampli-
tude des étoiles, qui nous renseignent sur leur structure
interne. CoRoT est une mission spatiale de photométrie
d’ultra-haute précision. En effet, une excellente précision
photométrique est nécessaire pour détecter les oscilla-
tions stellaires, dont l’amplitude ne dépasse pas quelques
millionièmes pour les étoiles de type solaire, ainsi que
pour mesurer les transits de planètes telluriques, la pro-
fondeur du transit d’une planète de deux fois le rayon ter-
restre étant de quatre dix-millièmes seulement.
73

Astrophysique
74
La chasse aux planètes
On connaît à ce jour près de 500 planètes extrasolaires,
qui tournent autour d’étoiles autres que le Soleil. La plu-
part d’entre elles ont été découvertes de façon indirecte
par spectroscopie. Une centaine ont été détectées par la
méthode des « transits ». Ces planètes, dont l’orbite est
vue par la tranche, produisent des micro-occultations pen-
dant leur passage devant le disque stellaire. Ce « transit »
a une forme carrée bien reconnaissable (voir encadré 1),
dure quelques heures et se produit une fois par période
orbitale de la planète. Son amplitude est proportionnelle
au rapport entre la surface des disques planétaire et stel-
laire. En observant des centaines de milliers d’étoiles,
CoRoT détecte des centaines d’événements candidats,
dont certains s’avèrent effectivement être des transits pla-
nétaires. Les transits découverts par CoRoT (tableau 1)
ont une amplitude comprise entre 2 10-4 et quelques
pour cents, correspondant à des planètes de taille très
différente, entre 1,5 et 20 fois le rayon terrestre. Elles ont
également une fourchette très large de période orbitale,
s’étalant de 20 h à 95 jours ! Les données mesurées sur un
transit photométrique sont principalement la profondeur
relative DF et la durée d du signal, donnés par :
DF FF
FrR
dGRP m
offon
off
=−=
=
+
(/ )
 (
/
/
2
13
13
4
π
M
MrRb
)(/)
–/13
22
1
+−
où Fon et Foff sont les flux de l’étoile respectivement pen-
dant le transit et hors transit, r et R (m et M) sont les
rayons (masses) de la planète et de l’étoile ; b indique la
hauteur à laquelle se produit le transit sur le disque stel-
laire (b = 0 correspond à un transit équatorial et b = 1 à
12 000 étoiles faibles (10 < mV < 16), avec un échantillon-
nage de 512 s (32 s pour 1 000 d’entre-elles). Ces observa-
tions, bien que moins précises que celles obtenues sur les
étoiles brillantes, permettent, outre la détection de transits
planétaires, la détection d’oscillations stellaires et consti-
tuent une véritable mine d’or pour les études statistiques.
Le satellite
L’instrument CoRoT est installé sur une « plateforme »
qui lui fournit l’énergie dont il a besoin pour fonctionner, qui
le maintient en orbite et qui assure les communications avec
les antennes au sol qui sont gérées par le centre d’opérations
au CNES à Toulouse. Cette plateforme fait partie de la série
PROTEUS, développée par le CNES et construite par Thales
Alenia Space. La masse totale du satellite est de 600 kg. Il a
été lancé par une fusée Soyuz II-b, le premier modèle de la
série qui va équiper le Centre Spatial de Kourou.
L’orbite et le profil de mission
Grâce à son orbite polaire à 896 km d’altitude, CoRoT
peut observer la même région du ciel en tournant le dos
au Soleil pendant près de six mois, puis la direction oppo-
sée pendant les six mois suivants après une manœuvre de
retournement. La position précise du plan de cette orbite
est contrainte par le programme de recherche d’exopla-
nètes. En effet, la probabilité géométrique d’observer un
transit (c’est-à-dire la probabilité que la ligne de visée se
trouve dans le plan orbital de la planète) étant relative-
ment faible (0,5 % environ pour une planète orbitant à
une unité astronomique d’une étoile de un rayon solaire),
la mission doit maximiser le nombre total d’étoiles obser-
vées, donc viser des directions proches de la Voie Lactée
(figure 2).
Figure 1 – À gauche, schéma du télescope, tel qu’il a été conçu en 2001 ; à droite, le télescope en fin de montage dans les salles blanches d’Intespace (Toulouse) en
septembre 2005.

Physique stellaire et planètes extrasolaires : les succès de la mission spatiale CoRoT
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Figure 2 – Les étoiles observées par CoRoT sont proches du plan Galactique, à l’intérieur de deux
cercles d’environ 10° diamétralement opposés, « les yeux de CoRoT » © L. Boisnard (CNES)
Table 1. Caractéristiques des planètes extrasolaires découvertes par CoRoT et de
leur étoile hôte
N° Période
(jour)
Masse
Mjupiter
Rayon
Rjupiter
Densité
g/cm3Excen- tricité
Distance
UA Etoile
1 1,509 1,03 1,49 0,38 0 0,0254 type solaire
2 1,743 3,31 1,46 1,31 0 0,0281 froide, jeune
3 4,257 21,66 1,01 26,4 0 0,057 chaude
4 9,202 0,72 1,19 0,52 0 0,090 chaude
5 4,034 0,47 1,39 0,22 0 0,0495 type solaire
6 8,886 2,96 1,17 2,32 0 0,085 chaude
7 0,853 0,015 0,15 5,6 0 0,017 froide
8 6,212 0,22 0,57 1,6 0 0,063 froide
9 95,274 0,84 1,05 0,90 0,11 0,407 type solaire
10 13,241 2,75 0,97 3,70 0,53 0,106 froide
11 2,994 2,33 1,43 0,99 0 0,0436 chaude,
rotation rapide
12 2,828 0,92 1,44 0,31 0 0,04 type solaire
13 4,035 1,31 0,88 2,34 0 0,051 type solaire
14 1,5 7,5 1,04 8,2 0 0,027 chaude
15 3,060 64 1,22 46 0 0,046 chaude,
rotation rapide
Notes :
1, 5, 12 : planètes géantes gazeuses, anormalement volumineuses, de très courte période
orbitale.
2 : planète géante gazeuse dilatée dans un système planétaire très jeune.
11 : planète géante gazeuse autour d’une étoile en rotation extrêmement rapide.
4, 6, 13, 14 : planètes géantes gazeuses de dimension similaire à Jupiter dites « Jupiters
chauds ».
10 : planète géante gazeuse en orbite très excentrique.
8 : planète géante de glace, de densité similaire à Neptune.
3, 15 : naines brunes à courte période orbitale, 3 est la naine brune la moins massive connue
(on parle de naine brune plutôt que de planète, lorsque la masse dépasse 12 MJupiter).
9 : première planète géante gazeuse tempérée : un « Jupiter » sur l’orbite de Mercure.
7 : première planète « super-Terre » en transit, probablement rocheuse, de période orbitale
extrêmement courte (20 h).
un transit rasant) et P est la période orbi-
tale. Dans le cas d’une orbite excentrique,
la durée du transit dépend aussi de la
valeur de l’excentricité et de l’angle entre le
périastre et la ligne de visée.
Ainsi, sans pouvoir observer directe-
ment ces planètes, on mesure leur masse
et leur rayon donc leur densité et on peut
commencer à comprendre leurs caracté-
ristiques (figure 3).
La densité des 13 planètes et des
2 naines brunes découvertes par CoRoT
s’étend de 0,3 à 46 g/cm3, un domaine
considérable qui explore des objets très
divers (voir tableau 1).
Ces résultats vont permettre de
répondre à des questions telles que :
– y a-t-il des planètes telluriques dans les
régions internes des systèmes extrasolaires,
et quelles sont les caractéristiques de ces
planètes ? La découverte de CoRoT-7b, une
planète terrestre chauffée à l’extrême par
son étoile, a pu démontrer pour la première
fois l’existence d’une planète rocheuse hors
de notre système solaire. Cependant sa sur-
face est probablement un océan de lave !
– quelle est la structure interne des
planètes géantes ? Dépend-elle de l’envi-
ronnement dans lequel évolue la planète ?
La moisson des résultats de CoRoT a énor-
mément contribué à élargir cette connais-
sance, en découvrant des systèmes aux
caractéristiques différentes. En parti culier,
CoRoT-9b est la seule planète géante
connue, en transit (donc bien caractéri-
sée), qui reste relativement éloignée de
son étoile tout au long de son orbite ; la
surface de la planète reste alors tiède, à
une température constante et probable-
ment comprise entre – 40 et + 140 °C, à
comparer aux planètes en transit les plus
courantes, dont la température dépasse
1 000 et parfois 2 000 °C, avec une phy-
sico-chimie exotique. L’énergie reçue de
l’étoile par ces planètes chaudes contribue
à empêcher leur contraction, et elles se
caractérisent par un volume gigantesque,
contrairement à CoRoT-9b.
– Quelles sont les étoiles qui abritent
des planètes ? À la différence de la plupart
des programmes de recherche de planètes,
CoRoT sélectionne très peu les étoiles
observées. CoRoT a ainsi découvert des pla-
nètes autour d’étoiles très différentes, ana-
logues au Soleil mais aussi plus chaudes,
des étoiles jeunes, des étoiles en rotation
rapide...

Astrophysique
76
Encadré 1 Détecter des planètes avec CoRoT : une analyse minutieuse
Depuis février 2007, CoRoT observe chaque année envi-
ron 30 000 étoiles. La variation de l’éclat d’une étoile au
cours du temps, ou « courbe de lumière », est enregistrée
sur une durée de 20 à 150 jours. On y recherche alors une
série de micro-éclipses (ou transits) imputable au passage
répété d’une planète devant son étoile. Pour assurer une
grande fiabilité des résultats, plusieurs groupes travaillent
en parallèle, analysent les données indépendamment, puis
comparent leurs résultats. Chaque année, jusqu’à un mil-
lier de courbes de lumière présentant des transits sont
isolées, parmi lesquels plus d’une centaine sont potentiel-
lement le fait de planètes… Mais une fois ces « planètes
potentielles » identifiées, la tâche est loin d’être terminée
(voir encadré suivant).
Figure E1 – De la courbe de lumière brute reçue du satellite (à gauche) jusqu’au transit reconstitué après repliement sur la période orbitale (à droite). Les
transits planétaires sont détectés sur la courbe corrigée des effets instrumentaux (au milieu). © C. Cavarroc (IAS)
Figure E2 – La première super-Terre en transit : Corot 7b. Courbe de lumière de l’étoile froide et active CoRot-7, hôte des planètes CoRot-7b et c. L’activité à
la surface de l’étoile donne un signal plus de 50 fois plus important en amplitude que les transits de CoRoT-7b. Cette activité est soustraite, puis la courbe de
droite est obtenue par repliement selon la période orbitale. © R. Alonso
De la sismologie stellaire
Les étoiles, sphères de gaz autogravitantes, sont
sujettes à des vibrations périodiques caractéristiques
de leur structure. Les méthodes de la sismologie, telles
qu’elles sont utilisées par exemple pour la Terre, peuvent
être appliquées à ces objets. Leurs modes propres (si
elles sont peu déformées) sont les harmoniques sphé-
riques, caractérisés par trois nombres d’onde, indiquant
le nombre de nœuds suivant un rayon, et à la surface
(figure 4).
Les fréquences caractérisent la structure de l’étoile :
ses dimensions, sa forme, la manière dont son intérieur
est stratifié, comment cet intérieur tourne. Elles per-
mettent donc de « voir au cœur des étoiles ». Les ampli-
tudes et les durées de vie des modes renseignent sur les
aspects énergétiques : la façon dont l’oscillation perd de
l’énergie dans certaines régions de l’étoile, ou en gagne
dans d’autres, son interaction avec la convection…
Lorsqu’une étoile pulse, sa luminosité varie périodi-
quement à la fréquence de cette oscillation. C’est en détec-
tant ces variations très faibles que CoRoT peut étudier les

Physique stellaire et planètes extrasolaires : les succès de la mission spatiale CoRoT
77
Figure 3 – Masse et rayon des planètes en transit connues, exprimés en masse
et rayon de la Terre (MT ~ 6 1024 kg , RT = 6,38 106 m). En bleu les exoplanètes
découvertes par CoRoT, en noir les autres planètes en transit.
Figure 4 – Illustration des perturbations (de température) au sein d’une étoile
vibrant suivant un mode « non radial » de pulsation. Les couleurs jaunes et
rouges représentent des zones plus chaudes ou plus froides, à la fois radiale-
ment mais aussi en surface. © Soren Frandsen
Encadré 2 Le support nécessaire des télescopes terrestres
Les planètes ne sont clairement identifiées que lorsque
tous les autres scénarios qui pourraient simuler un transit
planétaire ont été écartés. Entre la détection de transits par
CoRoT et la confirmation qu’il s’agit bien d’une nouvelle pla-
nète, une longue série d’observations complémentaires à l’aide
de télescopes au sol doit être réalisée.
En général, près de deux ans sont nécessaires, car il faut
prendre en compte à la fois la visibilité d’une étoile dans le ciel
(chaque région du ciel n’est observable que quelques mois par
an) et la disponibilité des grands télescopes.
Une quinzaine de télescopes de par le monde est utilisée
pour cette tâche. Il s’agit d’abord de confirmer la position de
l’étoile présentant les transits, puis d’établir que le corps qui
cause ces transits est bien une planète et non une autre étoile.
Cette vérification se fait idéalement en mesurant la
masse de ce corps. Des spectrographes de haute précision
en vitesse radiale sont utilisés à cet effet. Si la masse ainsi
estimée est supérieure à 0,08 Msoleil (limite d’allumage des
réactions nucléaires), le transit est causé par une étoile. Si la
masse est inférieure, l’objet qui provoque les transits est une
naine brune (de quelques masses de Jupiter à 0,08 Msoleil) ou
une planète (en dessous de quelques masses de Jupiter). La
frontière entre naines brunes et planètes n’est pas parfaite-
ment définie; elle fait intervenir les conditions de formation
et d’évolution des systèmes.
oscillations. Pour chacune des dix étoiles du champ dédié
à la sismologie, CoRoT mesure chaque seconde la quan-
tité de lumière reçue, avec une grande précision (disper-
sion par point de mesure comprise entre 4.10–4 et 2.10–3),
et pendant des durées pouvant atteindre jusqu’à 6 mois.
Pour cent vingt étoiles brillantes (et plus de cent mille
étoiles faibles) CoRoT a délivré une grande diversité de
courbes de lumière qui reflète la variété des étoiles obser-
vées (figure 5).
Les résultats
Ces « courbes de lumière » ont un niveau de bruit
entre 100 et 1 000 fois plus faible que précédemment.
CoRoT a ainsi découvert les oscillations stochastiques
« de type solaire » dans diverses étoiles analogues au
Soleil ou un peu plus chaudes (voir encadré 3). Dans les
étoiles A pulsantes de type d Scuti, la mission a révélé des
centaines de modes de faible amplitude qui se cachaient
dans le bruit. Elle a détecté les oscillations dans des cen-
taines d’étoiles évoluées dites « géantes rouges ». CoRoT
a également découvert des comportements inattendus,
comme des oscillations stochastiques dans des étoiles
massives. L’interprétation de ces observations en terme
de physique stellaire n’en est qu’à ses débuts, mais s’ins-
crit déjà parfaitement en regard des objectifs scientifiques
que CoRoT s’était fixé.
L’extension des cœurs mélangés
Il s’agit d’un problème crucial de la physique stellaire.
Toutes les étoiles plus massives que le soleil (≥ 1,1 Msoleil)
ont un cœur convectif bouillonnant au début de leur vie,
entouré d’une région plus calme. Ce cœur détermine
la quantité d’hydrogène disponible pour les réactions
nucléaires qui régissent l’évolution de cette phase repré-
sentant près de 90 % de la vie de l’étoile. Actuellement,
l’incertitude sur la taille de ce noyau est telle que la durée
de cette phase d’évolution et donc l’âge des étoiles sont