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A la recherche des exo-planètes… Marc OLLIVIER Institut dAstrophysique Spatiale dOrsay.

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1 A la recherche des exo-planètes… Marc OLLIVIER Institut dAstrophysique Spatiale dOrsay

2 2Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Un peu dhistoire… 1 : Lère des intuitifs Epicure (~ -300) : Adresse à Hérodote Ce nest pas seulement le nombre des atomes, cest celui des mondes qui est infini dans lUnivers. 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) : Linfini, lUnivers et les mondes Huygens ( ) : Nhésitons pas, nous, à admettre avec les principaux Philosophes de notre temps, que la nature des étoiles et celle du Soleil est la même. Doù résulte une conception du monde beaucoup plus grandiose que celle qui correspond aux vues antérieures plus ou moins traditionnelles. Car quest-ce qui empêche maintenant de penser que chacune de ces étoiles ou Soleils a des Planètes autour delle et que ces planètes à leur tour sont pourvues de Lunes ?

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

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

5 5Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Etoile ou planète ? Physique gouvernée principalement par la masse des objets - Gravitation - Processus nucléaires Masse cycle p-pcycle CNO M 13 M jup (0.013 M ) Fusion du deutérium Naines brunes: rayon M -1/3 Planètes 10 M Accrétion du gaz GéantesTelluriques Planète : impossibilité de fusionner le deutérium Fusion de lhydrogène Etoiles : rayon M 80 M Jup (0.08 M )

6 6Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Comment rechercher et étudier dautres planètes ? Une nouvelle science : lexoplanétologie

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

8 8Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Lapproche SETI Conséquences immédiates si réussite Absence de signification de labsence de signal

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

10 10Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Détecter indirectement une exoplanète O p (m p ) G O s (m s ) Létoile tourne autour de G AstrométrieMesure des vitesses radiales

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

12 12Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Mesure des vitesses radiales Indétermination sur la masse (sin(i)) Plus sensible à m p élevée Plus sensible à T petite Excentricité déduite de lécart à lharmonicité Valable pour m p << m s phase orbitale létoile séloigne létoile sapproche Effet Doppler-Fizeau planète observateur

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

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

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

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

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

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

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

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

21 21Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Metallicité d une étoile H (X), He (Y), et les métaux (Fe ou Z) : Z : metallicité Pour le soleil, Z = 0.02 X+Y+Z = 1 (par définition) Par commodité, on appelle aussi « métallicité »

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

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

24 24Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Les Planètes-Océans ? e 20 km Terre Planète-Océan de 6 M Terre e 100 km R / R Terre = Planète rocheuse de 6 M Terre eau liquide (océan) glace h te pression roches (silicates) métaux (Fe + Ni) Léger et al.2004

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

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

27 27Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Microlentillage gravitationnel (2) 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 Si la lentille est multiple …

28 28Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Observation des transits Concerne uniquement les systèmes observés par la tranche, pour lesquels les planètes peuvent occulter partiellement leur étoile centrale. Mercure : 7 mai 2003 vue par SOHO Venus : 8 juin 2004

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

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

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

32 32Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Observation des transits : durée du transit Observation en continu avec échantillonnage temporel de quelques minutes sur la période de révolution Objet Durée jupiter chaud ~ 3 heures Terre ~ 14 heures Jupiter ~ 30 heures

33 33Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Observation des transits : probabilité de voir le phénomène Probabilité « correcte » pour les objets chauds, plus faible pour les objets lointains Nécessité dobserver simultanément beaucoup dobjets On suppose les orientations équiprobables Objet Probabilité jupiter chaud ~ 10 % Terre ~ 0.5 % Jupiter ~ 0.1 %

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

35 35Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. COROT en bref « Petite » mission CNES (MO) + Belgique + Allemagne + Autriche + Espagne + Brésil + ESA 3 ème 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 daltitude Durée nominale : 2.5 ans

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

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

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

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

40 40Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Linstrument COROT (1)

41 41Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Linstrument COROT (2)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

58 58Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Détection directe d une planète extrasolaire tellurique ~ 0.1 arcsec Problème #2 Problème #

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

60 60Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Signatures spectrales Vis/ proche IR H2OH2O CO 2 O3O3 CH Longueur donde ( m) D après Des Marais et al Resolution 10, 20, 32, 29, 57 72, 69, , 10, 19, 17, 35, 37 16, 11, 34, O2O2

61 61Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Signatures spectrales infrarouges Selsis, ESA SP 518, 2002 H2OH2O CO 2 (50 mbar) CO 2 O3O3 CO NO 2 NO N2ON2O SO 2 CH 4 NH 3 65 CO 2 (1 bar) 2010 Longueur donde ( m) Resolution 10, 20, 10, 25 3, 20, , 20, , 3 4 4, 16, 19 4, 16, 19, 20, 20

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

63 63Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Observer dans le Vis/NIR 0 0 Télescope classique + Cororagraphe à 4 quadrants (Rouan et al.) Pupille apodisée (Spergel) Pupille carrée (Niesenson) D = 1 5 m

64 64Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Linterféromètre de Bracewell (1978) Recombinaison T2T1 D D.sin EtoilePlanète + 1 arcsec =10 m, D=10m, =0.1 arcsec

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

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

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

68 68Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Le banc de test de lIAS

69 69Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Imagerie directe ? 64 x 64 -> 3200 px Res = arcsec -> 1800 km ; surf =20000 m 2 (10 tel de 50 m) Temps de mesure ~ 15 min - 45 min

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

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

72 72Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. 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

73 73Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Détectivité dans le Vis/procheIR Composé H 2 O CO CH 4 N 2 O 0 3 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 Mais résolution spectrale minimale ~ 70 + S/N ~ 25 OBLIGATOIRES Retour

74 74Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai M.O. Détectivité dans l IR thermique Composé H 2 O CO CH 4 N 2 O NO 2 NH 3 Abondance terrestre 8000 ppm 355 ppm 6 ppm 2 ppm 300 ppb ppb 0.01 ppb Seuil de détection ppm 10 ppm 100ppb 10 ppm Selsis et al. In press Des Marais et al. 2002


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