"Corot, à la recherche de l`exoTerre" M. Ollivier

A la recherche des exo-planètes…
et des exo-terres
Marc OLLIVIER
Institut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay
Un peu d’histoire… 1 : L’ère des intuitifs
• Epicure (~ -300) : Adresse à Hérodote
“Ce n’est pas seulement le nombre des atomes, c’est celui des
mondes qui est infini dans l’Univers. Il y a un nombre infini de mondes
semblables au nôtre et un nombre infini de mondes différents [...] On
doit admettre que dans tous les mondes, sans exception, il y a des
animaux, des plantes, et tous les êtres que nous observons […]”
• Giordano Bruno (1600) : L’infini, l’Univers et les mondes
• Huygens (1629-1695) :
“N’hésitons pas, nous, à admettre avec les principaux Philosophes
de notre temps, que la nature des étoiles et celle du Soleil est la même.
D’où résulte une conception du monde beaucoup plus grandiose que celle
qui correspond aux vues antérieures plus ou moins traditionnelles. Car
qu’est-ce qui empêche maintenant de penser que chacune de ces étoiles
ou Soleils a des Planètes autour d’elle et que ces planètes à leur tour
sont pourvues de Lunes ?”
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Un peu d’histoire : 2 : l’ère des observateurs
• 1931 : Berman : m= 45Mj
• 1960 : Van de Kamp : étoile de Barnard
• 1981 : β pictoris
• 1985 : Mc Carthy et al. : Van Biesbroeck 8 B
• 1992 : Wolszczan : PSR 1257 +12
• 1995 : Walker : rien en dessus de 3 Mj autour de 21 étoiles
• 1995 : Mayor et Queloz : 51 Pégase
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51 Pégase
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Exo-planétologie : Stratégie « pas à pas »
 Recherche de planètes géantes (1995-2010) :
Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol)
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Détecter indirectement une exoplanète
GOp =
Op (mp)
G Os (ms)
ms
ms + mp
O sO p
 L’étoile tourne autour de G
Astrométrie
Mesure des vitesses radiales
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Astrométrie
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Effet Doppler-Fizeau acoustique
Emetteur à l’arrêt
Emetteur en mouvement
b
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Effet Doppler-Fizeau optique
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Mesure des vitesses radiales
Objet
Jupiter
Saturne
Uranus
Terre
51 Peg B
δVR (m.s-1)
12.5
2.8
0.3
0.09
130
Limite actuelle (HARPS) ~ 1m.s-1
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Des planètes par dizaines
07/02/2007
Environ 4000 étoiles surveillées :
- naines FGKM essentiellement (3000 K < T < 7500 K)
- échantillonnage temporel variable
- plusieurs équipes avec redondance
• 179 systèmes planétaires
• 209 planètes (~200 par VR)
• 21 systèmes multiples : ex : HD 69830
b
c
d
m(m⊕)
10.49
12.08
18.43
a(u.a)
p(j)
0.O785 8.667
0.186 31.56
0.63
197.6
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Distribution en masse des exoplanètes
Limitée aux planètes géantes (cf. limitations de la méthode)
Distribution piquée vers les faibles masses
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Distribution en distance des exoplanètes
•Planètes à très courte distance : les « Jupiters chauds »
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Relation masse - distance
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Excentricité des exoplanètes
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Metallicité d ’une étoile
• H (X), He (Y), et les métaux (Fe ou Z) : Z : metallicité
• X+Y+Z = 1 (par définition)
• Pour le soleil, Z = 0.02
• Par commodité, on appelle aussi « métallicité »
 [Fe][H] 
sol
Metallicite = Fe /H = log

 [H] [Fe] sol 
[
]
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Métallicité et exoplanètes
• Après correction des biais : métallicité plus élevée pour les étoiles à planètes
• Observation compatible avec un modèle par accrétion de planétésimaux et
formation de planètes géantes
• Conséquences sur la formation des planètes telluriques ?
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Exo-planétologie : Stratégie « pas à pas »
 Recherche de planètes géantes (1995-2010) :
Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol)
 Recherche de planètes telluriques (2006-2013):
- Microlentillage gravitationnel
- Transits depuis l’espace (COROT, Kepler)
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Observation des transits
Concerne uniquement les systèmes observés par la tranche, pour lesquels
les planètes peuvent occulter partiellement leur étoile centrale.
Venus : 8 juin 2004
Mercure : 7 mai 2003
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Observation des transits (2)
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Le cas HD209458b
Charbonneau et al., 2000
Brown et al., 2001
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Observation des transits : intensité de
l’extinction
-
=
 
ΔF Fétoileavant transit − Fétoiledurant transit Surfplanète  Rp 
=
=
=
F
Fétoileavant transit
Surfétoile  R 
*
€
2
Objet
Jupiter
Terre
ΔF/F
~10-2
~10-4
L’intensité de l’extinction donne le diamètre de la planète
Nécessité d’une photométrie précise pour les planètes telluriques :
 Photomètre
spatial
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Observation des transits : durée du
transit
P R*
DT = .
π a
Objet
Durée
jupiter chaud ~ 3 heures
Terre
~ 14 heures
Jupiter
~ 30 heures
 Observation en continu avec échantillonnage temporel de quelques
minutes sur la période de révolution
€
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€
Observation des transits : probabilité de
voir le phénomène
On suppose les orientations
équiprobables
R
proba = *
a
Objet
Probabilité
jupiter chaud ~ 10 %
Terre
~ 0.5 %
Jupiter
~ 0.1 %
Probabilité « correcte » pour les objets chauds, plus faible pour les
objets lointains
 Nécessité d’observer simultanément beaucoup d’objets
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COROT
Jean-Baptiste Camille
COROT
(1796-1875)
COnvection
ROtation
Transits
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COROT en bref
• « Petite » mission CNES (MO) + Belgique
+ Allemagne + Autriche + Espagne + Brésil
+ ESA
• 3ème mission PROTEUS (minisat)
• Double programme : astérosismologie ET
recherche de planètes extrasolaires
• Lancement 27 décembre 2006 : Soyouz
Starsem 2b depuis Baïkonour
• Orbite polaire circulaire à 896 km d’altitude
• Durée nominale : 2.5 ans
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Le cœur des étoiles
Très probablement différent de celui du Soleil
selon la masse, l’âge, la composition chimique….
Géante
Structure interne gouvernée
(entre autres) par le
problème du transport de
l’énergie
Soleil
Grande
masse
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Des vibrations “propres” globales
Des “ondes” observées en surface…
Amplitude grossie un million de fois !!!
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Des vibrations “propres” globales
… mais des “ondes” qui se propagent du centre à la surface
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Astérosismologie
α cen (Obs de Genève)
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L’instrument COROT (1)
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L’instrument COROT (2)
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Le satellite COROT
 Alcatel Alenia Space / JL Bazile 2006
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La mission COROT
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De la photométrie au transit
Transit : ΔF/F achromatique
≠ activité stellaire
→photométrie chromatique
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COROT : Bi-prisme
Objectif dioptrique
Biprisme
Sismo CCD
Exo CCD
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Images stellaires
Images sismo blanches
images exo dispersées
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Photométrie chromatique
+
+
Bleu
Vert
Rouge
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Construction des fenêtres
1 CCD = 6000 étoiles
1 champ = 12000 étoiles
256 masques génériques/CCD
12000 courbes de lumière en 3
couleurs
1 courbe = 5 mois
1 point /512 s
25000 points / courbe
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Recherche des transits dans les courbes de lumière
5 rayons
terrestres
2 rayons
terrestres
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Recherche des transits dans les courbes de lumière
difficultés et faux positifs (binaires à éclipse)
-Données réelles affectées d’effets instrumentaux
-Présence de contaminants
-Faux positifs : binaires à éclipse
-Discrimination chromatique
-Discrimination morphologique
+ Observations complémentaires
(vitesses radiales, photométrie…)
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Comment va COROT ?
(sismo)
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Comment va COROT ?
(exo)
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Et ensuite ?
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KEPLER - 2008 (NASA)
Télescope de 80 cm
3 ans sur le même champ
100000 étoiles
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Exo-planétologie : Stratégie « pas à pas »
 Recherche de planètes géantes (1995-2010) :
Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol)
 Recherche de planètes telluriques (2006-2013):
Transits depuis l’espace (COROT, Eddington, Kepler)
 Detections indirectes
 Recherche de planètes habitables (2015) :  Detections
directes
 Recherche de planètes habitées (2015) :
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Détection directe d ’une planète
extrasolaire tellurique
Problème #1 
7.10 6
5.10 9
~ 0.1 arcsec
 Problème #2
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La mission Darwin/TPF
 Initiée en Europe en 1993
 Collaboration ESA/NASA ?
 Détection + spectroscopie de planètes
telluriques autour des étoiles proches vers 2025
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« produits » scientifiques de
Darwin
« Imagerie »
Analyse spectrale
(D’après Mennesson et Mariotti 1997)
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Imagerie directe ?
64 x 64 -> 3200 px
Res = 10-7 arcsec -> 1800 km ; surf =20000 m2 (10 tel de φ 50 m)
Temps de mesure ~ 15 min - 45 min
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A suivre…
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