Recherche de systèmes planétaires aux limites de la spectroscopie

UNIVERSITÉ DE GENÈVE FACULTÉ DES SCIENCES
Département d’astronomie Professeur Michel Mayor
Recherche de systèmes planétaires
aux limites de la
spectroscopie Doppler
THÈSE
présentée à la Faculté des sciences de l’Université de Genève
pour obtenir le grade de Docteur ès sciences,
mention astronomie et astrophysique
par
Christophe LOVIS
de
Saulcy (JU)
Thèse Noxxxx
GENÈVE
Observatoire de Genève
2007

Table des matières
1Introduction 1
1.1 Planètes extrasolaires : état des découvertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Bases théoriques de la formation planétaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Buts de cette thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
ILatechniquedesvitessesradialesàtrèshauteprécision 7
2Principesdebase 9
2.1 Détection de planètes extrasolaires par effet Doppler . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Contenu en information Doppler des spectres stellaires . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Calcul de la vitesse radiale par corrélation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Correction de la dérive instrumentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Autres méthodes de calcul des vitesses radiales . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3LespectromètreHARPS 19
3.1 Description de l’instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1 Stabilité instrumentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2 Efficacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Réduction des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 Description des différents programmes d’observation . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.1 Haute précision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.2 Extension en volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.3 Naines M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.4 Etoiles du halo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.5 Suivi des candidats CoRoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4Aspectsinstrumentauxdelahauteprécision 25
4.1 Calibration en longueur d’onde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.1 Rôle et importance de la calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.2 Besoin d’un nouvel atlas de référence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.1.3 Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
i

ii TABLE DES MATIÈRES
4.1.5 Application à d’autres domaines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.6 Limitations intrinsèques des lampes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Correction barycentrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.1 Théorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.2 Paramètres de la correction barycentrique . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3 Effets de couleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.4 Guidage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5 Mesure de la dérive instrumentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.6 Corrélation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.7 Raies telluriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.8 Correction de la lumière diffusée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5Effets perturbateurs d’origine stellaire 61
5.1 Oscillations stellaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.1 Propriétés des oscillations de type solaire . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.1.2 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Granulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.1 Spectre de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2.2 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3 Activité stellaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.1 Inhomogénéités de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.2 Indice d’activité du calcium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.3 Bissecteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3.4 Tentative de correction de l’effet des taches . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4 Accélération séculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6Alarecherchedesplanètesdefaiblemasse 87
6.1 Plusieurs planètes autour de HD 93083, HD 101930 et HD 102117 . . . . . . 87
6.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.1.2 Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.1.3 Une planète peut (souvent) en cacher une autre . . . . . . . . . . . . 95
6.2 Découverte d’un trio de Neptunes autour de HD 69830 . . . . . . . . . . . . 101
6.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2.2 Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.3 Bilan des détections de planètes de petite masse . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.1 Etat des lieux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.2 Structure interne des géantes de glace et super-Terres . . . . . . . . 113
6.3.3 Contraintes observationnelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.4 Aux limites de la technique des vitesses radiales . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.4.1 Etude globale des dispersions en vitesse radiale . . . . . . . . . . . . 124
6.4.2 Stabilité en fonction du niveau d’activité . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.4.3 Observations à haute fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.4.4 Simulation des dispersions en vitesse radiale . . . . . . . . . . . . . . 133

TABLE DES MATIÈRES iii
II Planètes autour d’étoiles de masse intermédiaire 139
7Recherchedeplanètesautourdegéantesd’amas 141
7.1 Etat des lieux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.1.1 Distribution des masses des primaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.1.2 Planètes autour de naines A–F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.1.3 Planètes autour d’étoiles géantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
7.2 Description de l’échantillon de géantes d’amas . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.3 Découverte de deux compagnons substellaires . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.3.2 Publication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
7.4 Résultats globaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.4.1 Variabilité par amas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.4.2 Autres candidats potentiels et limites de détection . . . . . . . . . . 159
III Perspectives et conclusion 163
8Développementsfuturs 165
8.1 Suivi des candidats Kepler avec HARPS-North . . . . . . . . . . . . . . . . 165
8.2 ESPRESSO et CODEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
9 Conclusion 169
IV Annexes 171
ARevues 173
BProceedingsdeconférence 189