A la recherche des exo-planètes…

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1 A la recherche des exo-planètes…
Marc OLLIVIER Institut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay

2 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 ( ) : “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 ?” Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

3 Un peu d’histoire : 2 : l’ère des observateurs
• 1931 : Berman : m= 45Mj • 1960 : Van de Kamp : étoile de Barnard • 1981 :  pictoris • 1985 : Mc Carthy et al. : Van Biesbroeck 8 B • 1992 : Wolszczan : PSR • 1995 : Walker : rien en dessus de 3 Mj autour de 21 étoiles • 1995 : Mayor et Queloz : 51 Pégase Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

4 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
51 Pégase Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

5 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Etoile ou planète ? Physique gouvernée principalement par la masse des objets - Gravitation - Processus nucléaires 13 Mjup (0.013 M ) Fusion du deutérium Naines brunes: rayon  M-1/3 Planètes Fusion de l’hydrogène Etoiles : rayon  M 80 MJup (0.08 M) 10 M Accrétion du gaz Géantes Telluriques cycle p-p cycle CNO 1.5-2 M Masse Planète : impossibilité de fusionner le deutérium Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

6 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Comment rechercher et étudier d’autres planètes ? Une nouvelle science : l’exoplanétologie Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

7 Résoudre l’équation de Drake
• Equation de Drake 1011 • 2 approches - Globale : SETI -> N   "bruyantes" = Ncivil . F  "bruyante" - Pas à pas Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

8 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
L’approche SETI Conséquences immédiates si réussite Absence de signification de l’absence de signal Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

9 Exo-planétologie : Stratégie « pas à pas »
� Recherche de planètes géantes ( ) : Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol) Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

10 Détecter indirectement une exoplanète
Op (mp) G Os (ms)  L’étoile tourne autour de G Astrométrie Mesure des vitesses radiales Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

11 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Astrométrie Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

12 Mesure des vitesses radiales
Effet Doppler-Fizeau planète observateur •Valable pour mp<< ms phase orbitale l’étoile s’éloigne l’étoile s’approche •Indétermination sur la masse (sin(i)) •Plus sensible à mp élevée •Plus sensible à T petite •Excentricité déduite de l’écart à l’harmonicité Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

13 Mesure des vitesses radiales
Limite actuelle (HARPS) ~ 1m.s-1 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

14 Des planètes par dizaines 25/04/2007
Environ 4000 étoiles surveillées : - naines FGKM essentiellement (3000 K < T < 7500 K) - échantillonnage temporel variable - plusieurs équipes avec redondance • 212 systèmes planétaires • 227 planètes (~215 par VR) • 22 systèmes multiples : ex : HD 69830 m(m) a(u.a) p(j) b O c d Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

15 Distribution en masses (Etoiles + naines brunes + planètes)
• Distribution bimodale étoiles- planètes • « Désert » des naines brunes (20 MJup < M < 50 MJup)  processus de formation différents pour étoiles et planètes • M = 10 Mjup : limite entre les deux processus Santos et al., 2002 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

16 Distribution en masse des exoplanètes
Limitée aux planètes géantes (cf. limitations de la méthode) Distribution piquée vers les faibles masses Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

17 Distribution en distance des exoplanètes
•Planètes à très courte distance : les « Jupiters chauds » Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

18 Mécanismes de migrations d ’orbites
Bryden et Lin Nelson et al., 2000 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

19 Relation masse - distance
Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

20 Excentricité des exoplanètes
Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

21 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 » Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

22 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 ? Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

23 Nature des exoplanètes
Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

24 Planète-Océan de 6 MTerre
Les Planètes-Océans ? 1.00 0.55 e  20 km Terre Planète-Océan de 6 MTerre 1.24 0.69 e  100 km R / RTerre = 2.00 1.63 0.85 Planète rocheuse de 6 MTerre eau liquide (océan) glace hte pression roches (silicates) métaux (Fe + Ni) Léger et al.2004 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

25 Exo-planétologie : Stratégie « pas à pas »
� Recherche de planètes géantes ( ) : Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol) � Recherche de planètes telluriques ( ): - Microlentillage gravitationnel - Transits depuis l’espace (COROT, Kepler) Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

26 Microlentillage gravitationnel
 r M Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

27 Microlentillage gravitationnel (2)
Si la lentille est multiple … Nom : OGLE L b découverte en 2005 par Beaulieu et al. Masse : (± 0.01) MJ (5.8 M ) Distance de la planète. (proj.) : 2.6 AU Période orbitale : 3800 jours Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

28 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 vue par SOHO Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

29 Observation des transits (2)
Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

30 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Le cas HD209458b Charbonneau et al., 2000 Brown et al., 2001 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

31 Observation des transits : intensité de l’extinction
= - Objet F/F Jupiter ~10-2 Terre ~10-4 L’intensité de l’extinction donne le diamètre de la planète Nécessité d’une photométrie précise pour les planètes telluriques : Photomètre spatial Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

32 Observation des transits : durée du transit
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 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

33 Observation des transits : probabilité de voir le phénomène
On suppose les orientations équiprobables 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 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

34 COROT COnvection ROtation Transits Jean-Baptiste Camille COROT
( ) COnvection ROtation Transits Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

35 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
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 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

36 Très probablement différent de celui du Soleil
Le cœur des étoiles Très probablement différent de celui du Soleil selon la masse, l’âge, la composition chimique…. Soleil Géante Grande masse Structure interne gouvernée (entre autres) par le problème du transport de l’énergie Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

37 Des vibrations “propres” globales
Des “ondes” observées en surface… Amplitude grossie un million de fois !!! Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

38 Des vibrations “propres” globales
… mais des “ondes” qui se propagent du centre à la surface Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

39 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Astérosismologie  cen (Obs de Genève) Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

40 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
L’instrument COROT (1) Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

41 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
L’instrument COROT (2) Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

42 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Le satellite COROT  Alcatel Alenia Space / JL Bazile 2006 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

43 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
La mission COROT Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

44 De la photométrie au transit
Transit : F/F achromatique ≠ activité stellaire photométrie chromatique Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

45 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
COROT : Bi-prisme Objectif dioptrique Sismo CCD Exo CCD Biprisme Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

46 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Images stellaires Images sismo blanches images exo dispersées Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

47 Photométrie chromatique
+ Bleu Vert Rouge Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

48 Construction des fenêtres
1 CCD = 6000 étoiles 1 champ = étoiles 256 masques génériques/CCD 12000 courbes de lumière en 3 couleurs 1 courbe = 5 mois 1 point /512 s 25000 points / courbe Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

49 Recherche des transits dans les courbes de lumière
5 rayons terrestres 2 rayons terrestres Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

50 Problème des faux positifs
Binaire à éclipses rasantes Transit d’une naine devant une géante Binaire à éclipses de fond + Observations complémentaires (vitesses radiales, photométrie…) Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

51 Comment va COROT ? (sismo)
Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

52 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Comment va COROT ? (exo) Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

53 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Et ensuite ? Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

54 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
KEPLER (NASA) Télescope de 80 cm 3 ans sur le même champ étoiles Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

55 Méthodes indirectes : résumé
Astrométrie -> planètes géantes lointaines Vitesses radiales -> planètes géantes proches Transits -> planètes géantes et telluriques proches Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

56 Exo-planétologie : Stratégie « pas à pas »
� Recherche de planètes géantes ( ) : Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol) � Recherche de planètes telluriques ( ): Transits depuis l’espace (COROT, Eddington, Kepler)  Detections indirectes � Etude des atmosphères ( ) :  Detections directes � Etude de l’habitabilité (2025) : Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

57 Première image d’un autre système planétaire
Chauvin et al. 2005 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

58 Détection directe d ’une planète extrasolaire tellurique
Problème #1  7.10 6 5.10 9 ~ 0.1 arcsec  Problème #2 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

59 Choix du domaine spectral
Visible / proche IR IR Thermique m m F*/Fpl = 7.106 F*/Fpl = 5.109 Planet. Flux = 10 ph m-2 s-1 Planet. Flux = 0.3 ph m-2 s-1 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

60 Signatures spectrales Vis/ proche IR
H2O CO2 O3 CH4 0.6 0.5 2 1 Longueur d’onde (mm) D ’après Des Marais et al. 2002 Resolution 10, 20, 32, 29, 57 72, 69, 54 5 11, 10, 19, 17, 35, 37 16, 11, 34, 40 O2 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

61 Signatures spectrales infrarouges
H2O CO2 (50 mbar) O3 CO NO2 NO N2O SO2 CH4 NH3 6 5 (1 bar) 20 10 Longueur d’onde (mm) Resolution 10, 20, 10, 25 3, 20, 25 3, 20, 20 50 30 100 17 3, 3 4 4, 16, 19 4, 16, 19, 20, 20 Selsis, ESA SP 518, 2002 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

62 Un problème de résolution
Diamètre ~ 2.4 f/D Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

63 Observer dans le Vis/NIR
p Télescope classique + Cororagraphe à 4 quadrants (Rouan et al.) Pupille apodisée (Spergel) Pupille carrée (Niesenson) D = 1  5 m Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

64 L’interféromètre de Bracewell (1978)
Recombinaison T2 T1 D D.sinq q Etoile Planète +p 1 arcsec l=10mm, D=10m, q=0.1 arcsec Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

65 L ’interféromètre de Bracewell (2)
Carte de transmission chromatique -> signal monochromatique modulé Système disperseur -> detection multiplexée Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

66 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
La mission Darwin/TPF  Initiée en Europe en 1993  Collaboration ESA/NASA ?  Détection + spectroscopie de planètes telluriques autour des étoiles proches vers 2025 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

67 « produits » scientifiques de Darwin
« Imagerie » Analyse spectrale (D’après Mennesson et Mariotti 1997) Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

68 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Le banc de test de l’IAS Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

69 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Imagerie directe ? 64 x 64 -> 3200 px Res = 10-7 arcsec -> 1800 km ; surf =20000 m2 (10 tel de  50 m) Temps de mesure ~ 15 min - 45 min Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

70 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Imagerie directe (2) 1024 x > px Res = arcsec -> km : surf = m2 (2500 tel de  50 m) Temps de mesure ~ 20 min - 1 h Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

71 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
A suivre… Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

72 Recherche des transits dans les courbes de lumière
Filtrage fréquentiel (fenêtre de Hanning) Corrélation avec un peigne, période et phase variables Détermination des paramètres optimaux Critères de détection en S/B Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

73 Détectivité dans le Vis/procheIR
Composé H2O CO2 02 CH4 N2O 03 Abondance terrestre 8000 ppm 355 ppm 21 % 2 ppm 300 ppb 6 ppm Seuil de détection 10 ppm 100 ppm few % 5 ppm 300 ppb 1 ppm Des Marais et al. 2002 Mais résolution spectrale minimale ~ 70 + S/N ~ 25 OBLIGATOIRES Retour Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.

74 Détectivité dans l ’IR thermique
Composé H2O CO2 03 CH4 N2O NO2 NH3 Abondance terrestre 8000 ppm 355 ppm 6 ppm 2 ppm 300 ppb 1-0.1 ppb 0.01 ppb Seuil de détection ppm 10 ppm 100ppb Selsis et al. In press Des Marais et al. 2002 Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O.