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Notre environnement galactique Méthodes de détection Résultats et surprises La formule de Drake A la recherche des terres célestes A.Jorissen Institut.

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1 Notre environnement galactique Méthodes de détection Résultats et surprises La formule de Drake A la recherche des terres célestes A.Jorissen Institut dAstronomie et dAstrophysique

2 L'univers hiérarchisé

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4 Vous êtes ici, en orbite autour d'une étoile parmi les ~ 200 milliards d'étoiles de la Voie Lactée

5 L'univers hiérarchisé Vous êtes ici, en orbite autour d'une étoile parmi les ~ 200 milliards d'étoiles de la Voie Lactée Sphère de recherche des exoplanètes (d ~ 50 à 100 années-lumière)

6 Méthodes de détection des exoplanètes: Les problèmes Il y a dinnombrables soleils et dinnombrables terres, toutes tournant autour de leur soleil comme le font les sept planètes de notre système. Nous nen voyons que les soleils parce quils sont les plus grands et les plus lumineux, mais leurs planètes nous restent invisibles parce quelles sont petites et peu lumineuses. Les innombrables mondes de lunivers ne sont pas pires et moins habités que notre Terre. G. Bruno De LInfinito Universo e Mundi (1584)

7 Il y a dinnombrables soleils et dinnombrables terres, toutes tournant autour de leur soleil comme le font les sept planètes de notre système. Nous nen voyons que les soleils parce quils sont les plus grands et les plus lumineux, mais leurs planètes nous restent invisibles parce quelles sont petites et peu lumineuses. Les innombrables mondes de lunivers ne sont pas pires et moins habités que notre Terre. G. Bruno De LInfinito Universo e Mundi (1584) Méthodes de détection des exoplanètes: Les problèmes

8 Méthodes directes (les voir): Problème majeur: CONTRASTE émission thermique de corps noir réflexion de la lumière solaire ~10 8 ~10 5 Méthodes de détection des exoplanètes: Les problèmes Densité de flux de photons

9 Méthodes directes (les voir): Problème majeur: CONTRASTE Problème supplémentaire: SEPARATION ANGULAIRE Planète distante de 5 UA de son étoile, à 10 pc (33 a-l) du soleil: ~ 0"5 1 UA ("unité astronomique") = distance moyenne Terre - Soleil 5 UA ~ distance Jupiter - Soleil 1 pc ("parsec") = UA = distance à laquelle 1 UA apparaît sous un angle de 1'' ~ 0"5 10 pc 5 UA Méthodes de détection des exoplanètes: Les problèmes

10 Méthodes directes (les voir): Problème majeur: CONTRASTE Problème supplémentaire: SEPARATION ANGULAIRE Planète distante de 5 UA de son étoile, à 10 pc (33 a-l) du soleil: ~ 0"5 1 UA ("unité astronomique") = distance moyenne Terre - Soleil 5 UA ~ distance Jupiter - Soleil 1 pc ("parsec") = UA = distance à laquelle 1 UA apparaît sous un angle de 1'' ~ 0"5 10 pc 5 UA Méthodes de détection des exoplanètes: Les problèmes

11 Méthodes directes (les voir): Problème majeur: CONTRASTE Problème supplémentaire: SEPARATION ANGULAIRE et TURBULENCE ATMOSPHERIQUE ~ 0"5 10 pc 5 UA ' turbulence atmosphérique ' > 0"5 ! (= "seeing") Crédit: Per: binaire 0.2 Méthodes de détection des exoplanètes: Les problèmes

12 Méthodes directes (les voir): Problème supplémentaire: SEPARATION ANGULAIRE et TURBULENCE ATMOSPHERIQUE 10 pc 5 UA "seeing" Crédit: Crédit: Fig. 5.1 Méthodes de détection des exoplanètes: Les problèmes

13 Méthodes directes (les voir): Problème majeur: CONTRASTE Problèmes supplémentaires: SEPARATION ANGULAIRE et TURBULENCE ATMOSPHERIQUE Ces trois problèmes disparaissent/sont atténués par une observation dans linfrarouge depuis lespace émission thermique de corps noir réflexion de la lumière solaire ~10 8 ~10 5 Interférométrie infrarouge « annulante » Méthodes de détection des exoplanètes: Les problèmes

14 Mission Darwin de l'Agence Spatiale Européenne (après 2014) opposition de phases concordance de phases I. Méthodes directes (« les voir »): interférométrie infrarouge « annulante » Copyright: Alcatel Space Industries Méthodes de détection des exoplanètes: Les solutions

15 Méthodes directes (les voir): interférométrie infrarouge « annulante » Sects. 5.2 et 14.4 opposition de phases concordance de phases Fig. 5.5 Exoplanète Etoile

16 Mission Darwin de l'Agence Spatiale Européenne (après 2014) Simulation de l'observation par Darwin (60h) du système solaire vu à 10 pc S V T M Copyright: Alcatel Space Industries O3O3 I. Méthodes directes (« les voir »): interférométrie infrarouge « annulante » Méthodes de détection des exoplanètes: Les solutions

17 II. Méthodes indirectes (« voir leur effet »): Transits Eclat t (j) Flux relatif Le premier exemple : HD Méthodes de détection des exoplanètes: Les solutions

18 Méthodes indirectes de détection des exoplanètes Transits rayon planète Eclat L*L* L L = baisse déclat lié au passage du disque planétaire (daire R pl 2 ) devant le disque stellaire Le disque stellaire présente une brillance de surface égale à L * / R * 2 L = (L * / R * 2 ) R pl 2 R pl = R * ( L / L * ) 1/2

19 Méthodes indirectes de détection des exoplanètes Transits 5. Sommes-nous seuls? rayon étoile t Soient t = durée du transit, A = 1/2 grand axe, P = période orbitale En une durée t est décrit langle = arc tg (R * / A) Or / 2 = t / P R * = A tg ( 2 t / P) R*R* A R*R* Eclat On suppose pour simplifier que léclipse est centrale 1 2 3

20 Soient R pl connu par la méthode des transits M pl connu par la troisième loi de Kepler (orbite spectroscopique Doppler) pl = M pl / (4/3 R 3 pl ) Méthodes indirectes de détection des exoplanètes Transits masse volumique de la planète Exemple: HD , P = j R * = 1.2 ± 0.1 R o M * = 1.1 ± 0.1 M o R pl = 1.40 ± 0.17 R J M pl = 0.69 ± 0.05 M J pl = 0.31 ± 0.07 g/cm 3 planète gazeuze (~ Saturne / 2)

21 Méthodes de détection des exoplanètes I. Méthodes directes (les voir): interférométrie infrarouge « annulante » II. Méthodes indirectes (voir leur effet): transits micro-lentilles gravitationnelles Crédit: Astronomy Today; Chaisson & McMillan; Prentice Hall, 1996 Etoile + planète L t Signal de étoile planète

22 Méthodes de détection des exoplanètes I. Méthodes directes (les voir): interférométrie infrarouge « annulante » II. Méthodes indirectes (voir leur effet): transits micro-lentilles gravitationnelles Etoile + planète Planète dont la masse est estimée à 5 fois la masse de la Terre !!

23 Méthodes de détection des exoplanètes I. Méthodes directes (les voir): interférométrie infrarouge « annulante » II. Méthodes indirectes (voir leur effet): transits micro-lentilles gravitationnelles mouvement doscillation de létoile autour du centre de masse du système A * A planète Etoile Planète centre de masse Fig. 14.7

24 Méthodes de détection des exoplanètes I. Méthodes directes (les voir): interférométrie infrarouge « annulante » II. Méthodes indirectes (voir leur effet): transits micro-lentilles gravitationnelles mouvement doscillation de létoile autour du centre de masse du système Fig Méthode décalage spectral des raies par effet Doppler: Déplacement le long de la ligne de visée Méthode astrométrique: Déplacement sur le ciel

25 5. Sommes-nous seuls? Sect Méthodes de détection des exoplanètes Méthodes indirectes (voir leur effet): mouvement doscillation de létoile autour du centre de masse du système: mouvement apparent sur le ciel (astrométrie) Etoile centre de masse A*A*

26 Méthodes de détection des exoplanètes II. Méthodes indirectes (voir leur effet): mouvement doscillation de létoile autour du centre de masse du système: mouvement apparent sur le ciel (astrométrie) centre de masse Etoil e centre de masse d avec en secondes d'arc, si A planète en UA et d en pc Dans le cas d'un plan orbital perpendiculaire à la ligne de visée: A*A* Exemple: A planète = 5 UA, d = 10 pc M planète = 1 M J = M * typiquement < 0"001! satellite GAIA (~2010)

27 Méthodes de détection des exoplanètes Méthodes indirectes (voir leur effet): mouvement doscillation de létoile autour du centre de masse du système: mouvement le long de la ligne de visée (spectroscopie Doppler) Etoile centre de masse v = obs / labo = 1 + v/c Validité : v << c Convention: v = vitesse radiale v > 0 si source séloigne de lobservateur obs > labo décalage vers le rouge (« redshift »)

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29 Effet Doppler Longueur donde (nm) Galaxie très lointaine Galaxie proche Etoile

30 Amplitude de la variation de vitesse V = 2 A / P (module de la vitesse dans une orbite circulaire) A 3 / P 2 = G (M * + m pl ) / 4 2 ! Dans cette relation, A désigne le 1/2 grand-axe de lorbite relative V rel = [ G (M * + m pl ) / A ] 1/2 Ceci est la vitesse de létoile dans lorbite relative (étoile relativement à la planète) ! Vitesse étoile par rapport au centre de masse: M * V *%CM = m pl V pl%CM V rel = V *%CM + V pl%CM Donc: V *%CM = m pl /(M * + m pl ) V rel V *%CM = m pl /(M * + m pl ) [ G (M * + m pl ) / A ] 1/2 V *%CM = m pl [ G / A (M * + m pl )] 1/2 V *%CM ~ m pl [ G / A M * ] 1/2 si M * >> m pl ÛMéthode sensible aux planètes serrées et massives A

31 Exemple: Si compagnon planétaire: A = 5 AU m pl = 1 M J = M M * = 1 M ÛV *%CM = 13 m/s !! Si compagnon stellaire: A = 5 AU m comp = 1 M M * = 1 M ÛV *%CM = 13 km/s !! Amplitude de la variation de vitesse V = 2 A / P (module de la vitesse dans une orbite circulaire) A 3 / P 2 = G (M * + m pl ) / 4 2 ! Dans cette relation, A désigne le 1/2 grand-axe de lorbite relative V rel = [ G (M * + m pl ) / A ] 1/2 Ceci est la vitesse de létoile dans lorbite relative (étoile relativement à la planète) ! Vitesse étoile par rapport au centre de masse: M * V *%CM = m pl V pl%CM V rel = V *%CM + V pl%CM Donc: V *%CM = m pl /(M * + m pl ) V rel V *%CM = m pl /(M * + m pl ) [ G (M * + m pl ) / A ] 1/2 V *%CM = m pl [ G / A (M * + m pl )] 1/2 V *%CM ~ m pl [ G / A M * ] 1/2 si M * >> m pl ÛMéthode sensible aux planètes serrées et massives

32 Les trois méthodes indirectes (transits, spectroscopie Doppler, astrométrie) sont complémentaires: transits: L = L * (R pl / R * ) 2 détection de planètes telluriques (R pl / R * = 1/100) possible si précision suffisante ( L / L < 0.01 % ) missions spatiales: COROT, MONS, MOST… Méthodes de détection des exoplanètes spectroscopie Doppler: V *%CM ~ m pl [ G / A M * ] 1/2 surtout sensible aux planètes massives proches de l'étoile astrométrie: surtout sensible aux planètes massives éloignées de l'étoile satellite GAIA (~ 2010)

33 Octobre 1995: Annonce de la découverte de la première exoplanète orbitant autour de l'étoile 51 Peg par Mayor et Queloz (Observatoire de Genève), à l'Observatoire de Haute Provence, sur le télescope de 1.93 m au moyen de la spectroscopie Doppler P = 4.23 j !! M pl > 0.45 M J !! '' Jupiters chauds'' Méthodes de détection des exoplanètes RESULTATS

34 Mars 2006: 153 étoiles recensées abritant une ou plusieurs exoplanètes 18 systèmes contenant plus dune planète (2 ou 3 planètes : résonances 1: 2, 1: 10) 173 planètes au total Encyclopédie des planètes extrasolaires Sect RESULTATS

35 Sect « Jupiters chauds » Crédit: Lynette Cook; RESULTATS… SURPRENANTS!

36 A f f ' C Excentricité = C/A = 'écart' au cercle Exoplanètes: Résultats surprenants Diagramme excentricité -- demi-grand-axe Deux catégories d'exoplanètes: Jupiters chauds Planètes géantes sur orbites excentriques

37 La proportion d'étoiles entourées de planètes dépend fortement de leur métallicité = contenu en métaux = [ Fe / H ] = log ( (Fe / H) * / (Fe / H) o ) Exoplanètes: Résultats surprenants Fe 3 fois moins abondant (relativement à H) que dans le Soleil Fe 3 fois plus abondant (relativement à H) que dans le Soleil

38 La plupart des raies de ce spectre sont causées par les atomes de fer présents dans latmosphère de létoile. Lintensité de ces raies spectrales constitue donc une mesure de labondance de fer

39 La proportion d'étoiles entourées de planètes dépend fortement de leur métallicité [ Fe / H ] = log ( (Fe / H) * / (Fe / H) o ) Exoplanètes: Résultats surprenants Un environnement riche en « éléments lourds » favorise la formation de planètes ou ? l'étoile a été enrichie en « éléments lourds » par l'accrétion de planètes

40 Surprenante similitude entre les propriétés orbitales de planètes géantes gazeuses et de compagnons stellaires processus de formation identique? A priori, non! planètes = formation par agrégation étoiles = formation par contraction étoiles et planètes se séparent en terme de masse: Exoplanètes: Résultats surprenants Diagramme excentricité -- période

41 Conclusions (I) De nombreuses questions se posent quant qux mécanismes de formation des systèmes planétaires, que lon sait être naturellement associés à la formation stellaire …MAIS… - Comment distinguer planète et compagnon substellaire ? éléments orbitaux ?? NON mécanisme de formation ?? structure interne (noyau solide vs absence de noyau) ?? Corollaire: Quelle est la définition dune planète? - Les planètes géantes gazeuses sont supposées se former dans le blizzard de neige/glace à 5 UA (= distance Soleil - Jupiter) Comment expliquer lexistence de « Jupiters chauds »? Par migration? Comment arrêter la migration ?

42 Conclusions (II) Le deuxième terme de la formule de Drake est désormais mieux connu…

43 Conclusions (II) Le deuxième terme de la formule de Drake est désormais mieux connu… Formule de Drake (1971) ou comment fractionner notre ignorance à propos du… Nombre de civilisations, ayant développé une technologie électromagnétique, actuellement présentes dans notre Galaxie: N = R f L où R = rythme annuel moyen de formation détoiles de type solaire dans la Galaxie (de lordre de 1 par an) f = fraction des étoiles de type solaire de la Galaxie abritant un système planétaire abritant une vie intelligente ayant développé des moyens de télécommunications électromagnétiques L = durée durant laquelle ces civilisations restent détectables (L > 100 ans, à en juger par lHumanité) t LExemple: R = 3 / L N = 3 = 3/L L

44 Formule de Drake (1971) ou comment fractionner notre ignorance! Nombre de civilisations, ayant développé une technologie électromagnétique, actuellement présentes dans notre Galaxie: N = R f L où R = rythme annuel moyen de formation détoiles de type solaire dans la Galaxie (de lordre de 1 par an) f = fraction des étoiles de type solaire de la Galaxie abritant un système planétaire abritant une vie intelligente ayant développé des moyens de télécommunications électromagnétiques L = durée durant laquelle ces civilisations restent détectables (L > 100 ans, à en juger par lHumanité) Exemple: L = ans, R = 1 /an, f = 0.1 : N = 1000 réparties dans un disque de diamètre D = a-l ÛDistance moyenne d entre civilisations : d 2 = D 2 / 1000 d = D / /2 = 3160 a-l Il y a environ 10 millions détoiles de type solaire dans cette surface ! Conclusions (II)

45 Formule de Drake (1971) ou comment fractionner notre ignorance! ? Nombre de civilisations, ayant développé une technologie électromagnétique, actuellement présentes dans notre Galaxie: N = R f L = R f p n e f v f i f c L facteurs astronomiques biologiques sociologiques où f p = fraction des étoiles de la Galaxie abritant un système planétaire (au moins 10 à 20% pour les étoiles de type solaire) Rappel: Planètes: sous-produit naturel de la formation des étoiles! n e = nombre moyen de planètes par système Conclusions (II)


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