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LES PLANÈTES EXTRASOLAIRES Danielle Briot Observatoire de Paris.

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1 LES PLANÈTES EXTRASOLAIRES Danielle Briot Observatoire de Paris

2 A LA RECHERCHE D'AUTRES MONDES Quelques rappels historiques Le d é bat sur la multiplicit é des Mondes remonte à l'antiquit é classique. Les philosophes grecs D é mocrite et Epicure et le po è te latin Lucr è ce d é fendent l'existence d'autres mondes habit é s : "Les mondes sont illimit é s et diff é rents en grandeur : dans certains il n'y a ni Soleil ni Lune, dans d'autres, Soleil et Lune sont plus grands que chez nous, et dans d'autres il y en a plusieurs. Les intervalles entre les mondes sont in é gaux et dans certains endroits du cosmos, il y en plus, alors qu'il y en a moins dans d'autres." D é mocrite ( av. J.C.)

3 "Il existe des mondes infinis semblables et diff é rents du nôtre." Epicure, disciple de D é mocrite, ( av. J.C.) Lettre à H é rodote Platon et Aristote sont d'un avis contraire : " … S'il en est ainsi, le ciel doit n é cessairement être un et non multiple." - Aristote ( av. JC)

4 Saint Augustin ( ) fut parmi les premiers auteurs chrétiens à discuter cette idée, à laquelle il était opposé, comme la plupart des auteurs du Moyen-Age, y compris Albert le Grand ( ) et Thomas d'Aquin ( ). Plus tard, le système héliocentrique introduit par Copernic impliqua que notre Terre fut considérée comme une planète parmi d'autres. Peu à peu on en vint alors à considérer les étoiles comme d'autres soleils que beaucoup d'auteurs supposaient entourées de planètes habitées.

5 A la fin du XVI è me si è cle, Giordano Bruno ( ) à partir d'une d é marche th é ologique d é fendit la multiplicit é des mondes, peupl é s d'une multiplicit é de vies : "C'est ainsi que l'excellence de Dieu se trouve magnifi é e et se manifeste la grandeur de son empire. Il ne se glorifie pas dans un seul, mais dans d'innombrables soleils, non pas en une seule Terre et un monde mais en mille de mille, que dis-je ? une infinit é [de mondes]"

6 Galil é e ( ) et Descartes ( ) furent beaucoup plus prudents à ce sujet, ainsi que K é pler ( ). En 1686, Fontenelle ( ) publia "Entretiens sur la Pluralit é des Mondes ": "Les é toiles sont autant de soleils dont chacun é claire un monde."

7 « La pluralité des Mondes »

8 Au XVIII è me si è cle, l'existence de la vie sur d'autres plan è tes é tait couramment accept é e par les astronomes : "Les cieux sont sem é s de corps lumineux qui, semblables à notre soleil, font vraisemblablement rouler des plan è tes dans diff é rentes orbites. " Condillac, « Cours d' é tude pour l'Instruction du prince de Parme » (1775)

9 et maintenant…. Depuis 1995, nous avons la réponse à lune des questions les plus importantes de lastronomie : Existe-t-il des planètes autour dautres étoiles que notre Soleil ? Aujourdhui, septembre 2008, nous connaissons 310 exoplanètes 310 exoplanètes. Pour toute information, voir le site : mis à jour quotidiennement

10 Une très longue recherche : Ainsi, la question de la multiplicité des Mondes se pose depuis très longtemps. Mais les planètes ne se laissent pas facilement détecter. Leur seule lumière est la lumière quelles reflètent de leur étoile et qui est environ un million de fois moins brillante que la lumière de létoile. Elles sont « noyées » dans la lumière de létoile, et donc invisibles.

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12 On utilise donc un moyen détourné, et on regarde leffet produit par la planète sur létoile. La masse de la planète implique que le centre de gravité du système - planète + étoile -, nest plus exactement au centre de létoile, et donc létoile ne se déplace pas exactement en ligne droite et sa vitesse nest pas tout-à-fait constante.

13 Centre de gravité fixe Mouvement autour du centre de gravité

14 Centre de gravité Planète Etoile

15 Astrométrie : Mouvement propre Si létoile a une planète, le déplacement ne se fera en ligne il y aura une oscillation Etoile de Barnard

16 Etoile double : Sirius Pas assez sensible pour la détection des planètes Etoile de Barnard : Van de Kamp (~1970) Lal : 2 planètes ? (Gatewood 1997) Peter Van de Kamp

17 Doppler Effet Doppler - Fizeau Fizeau

18 Leffet Doppler

19 Leffet Doppler sur les spectres des étoiles

20 La méthode des vitesses radiales A : étoile B : planète invisible De lordre de 50 à 100 km/h

21 Découverte de la première planète extra-solaire en Novembre 1995 autour de létoile 51 Peg

22 Télescope de 1,93m de lObservatoire de Haute Provence

23 51 Peg b Précision de lordre de 30 km/h Spectrographe Elodie Michel Mayor et Didier Queloz

24 Variations périodiques des Vitesses Radiales de 51 Peg

25 Le spectre de 51 Peg

26 Une étonnante planète…. Une très grande surprise lors de la découverte de la première planète extra-solaire 51 Peg b fut sa période, de 4.2 jours.

27 Une étonnante planète…. 3ème loi de Képler : « Le carré de la période de révolution dune planète est proportionnel au cube du demi grand-axe de son orbite. » Ce qui signifie que, si lon connaît la période dune planète, on peut connaître sa distance à létoile. Or, une période de 4,2 jours implique une distance à létoile de : 0,052 Unité Astronomique, soit une distance environ 20 fois plus petite que la distance Terre-Soleil

28 Képler

29 Une étonnante planète…. La masse de la planète 51 Peg b est égale à M Jupiter. Ce qui signifie quil sagit dune planète géante. Or, les scénarios de formation que nous connaissions impliquaient que les planètes géantes ne peuvent se former que très loin de leur étoile. Cest une des plus grosses surprises que nous a apportées la découverte de 51 Peg b.

30 Evolution des d é couvertes depuis la premi è re plan è te extra-solaire 1995 Walker et al. : programme de 21 rien 1995 Mayor et al. : programme de Peg Marcy et Butler: programme de nouvelles planètes Avril 1999 :20 planètes And : système de 3 planètes Novembre 1999 :premier transit photométrique Septembre 2004 : première planète découverte par imagerie Mars 2005 : deux "anti-transits" observés

31 Actuellement, septembre 2008 Ensemble des catalogues :309 plan è tes Dont essentiellement Exoplan è tes d é tect é es par vitesses radiales: 249 syst è mes plan é taires 292 Plan è tes 29 syst è mes plan é taires multiples

32 Et aussi : Exoplan è tes d é tect é es par transit : 52 Plan è tes Exoplan è tes d é tect é es par microlentille : 7 Plan è tes Exoplan è tes d é tect é es par imagerie : 5 Plan è tes Exoplan è tes d é tect é es par chronom é trage : 3 syst è mes plan é taires 5 Plan è tes 1 syst è me plan é taire multiple

33 Etudes actuelles Le nombre de plan è tes extra-solaires connues est suffisant pour nous permettre d en d é gager les propri é t é s g é n é rales. Certaines de ces propri é t é s g é n é rales sont tout- à -fait inattendues, elles posent de nombreuses questions et nous obligent parfois à revoir les connaissances acquises auparavant. Nous pouvons d é j à dire que nous n avons pas encore trouv é de syst è me plan é taire ayant les mêmes propri é t é s que notre syst è me solaire.

34 Ce quon connaissait : Jusquen 1995, un seul exemple connu : le Système Solaire. Cest à dire une étoile « froide », avec un système planétaire composé de -4 petites planètes rocheuses proches du Soleil, et donc avec de courte périodes. -4 grosses planètes gazeuses, plus loin du Soleil et aussi : -La Ceinture des Astéroïdes entre Mars et Jupiter -La Ceinture de Kuiper : objets transneptuniens -et les comètes……

35 Quelques propriétés des planètes extrasolaires. On sattendait à : des planètes à longue période, à grande distance de leur étoile On a trouvé : des planètes en grand nombre très proches de leur étoile. On sattendait à : des planètes avec des excentricités très faibles On a trouvé : des planètes avec des excentricités qui peuvent être très grandes.

36 Les périodes des planètes extra-solaires Dans le système solaire, les planètes « géantes » sont à longue période, donc loin de létoile Soleil. Les modèles de formation du système solaire expliquent la formation de telles planètes à partir de cristaux de glace, ce qui nécessite une formation dans un milieu très froid.

37 Les périodes des planètes extra-solaires Situation actuelle Il existe de nombreuses plan è tes avec d 0.1 AU Biais observationnel (qui diminue avec le temps) Configuration inattendue Il existe une accumulation P 3j, 3.5j, qui ne r é sulte pas d un biais observationnel (r é sultat diff é rent de ce qui est observ é pour les é toiles doubles) Les th é ories existantes en 1995 montraient qu'il n'est pas possible de former des Jupiters en de çà de la trajectoire de Jupiter (c œ ur de glace)

38 Les périodes des planètes extrasolaires (jusquà 1000 jours)

39 Les périodes des planètes extrasolaires (jusquà 10 jours)

40 Solutions possibles Migration : -Interaction gravitationnelle de la plan è te avec le disque de poussi è res dans lequel elle se d é place. -Interaction gravitationnelle de la plan è te avec un autre compagnon Mais il faut alors expliquer le ph é nom è ne de freinage : Cavit é magn é tosph é rique du disque d'accr é tion - Interaction de mar é e é toile/plan è te - D é bordement du lobe de Roche de la plan è te qui entra î nerait un mouvement vers l ext é rieur - Interaction é toile/plan è te - Photo- é vaporation du disque par le rayonnement de l é toile centrale, provoquant un vide pr è s de l é toile - Autre hypoth è se : formation in-situ

41 Masses des planètes extrasolaires Les masses des planètes sont déterminées à partir de la théorie de la gravitation (Newton). Cependant, les masses des planètes sont déterminées « modulo » linclinaison du système par rapport à lobservateur. Ne pas oublier que les planètes de « petite masse », planètes de masse terrestre, ne peuvent pas pour linstant être déterminées à partir de variations de vitesses radiales, parce quinsuffisantes.

42 Distribution des masses des planètes extra-solaires

43 Masses des planètes extrasolaires

44 Planète ou étoile double ? Problème de masse limite entre planète et naine brune : On considère : M pl < 13 M Jup : on a une planète M * > 70 M Jup : on a une étoile Entre ces deux masses : cest une naine brune Mais la répartition des masses montre un « déficit » pour les masses correspondant aux naines brunes : le « désert des naines brunes ». Ce résultat laisse nettement penser que les processus de formation des planètes et des étoiles sont fondamentalement différents.

45 Histogramme selon leur masse des compagnons détoiles de type solaire Les compagnons sont des planètes (à gauche) ou des étoiles (à droite)

46 Excentricité des planètes extrasolaires Les trajectoires des planètes du système solaire ont de très faibles excentricités. Les excentricités des étoiles doubles peuvent être très différentes. Les planètes extrasolaires de courte période, cest à dire très proches de leur étoile, ont de petites excentricités, cest à dire des trajectoires circulaires. Ceci peut sexpliquer par les effets de marée entre létoile et la planète. Il est très étonnant de constater que les excentricités des planètes extrasolaires de plus longue périodes sont très semblables aux excentricités des étoiles doubles.

47 Excentricités des planètes extrasolaires suivant leur distance à létoile

48 Excentricités des planètes et des étoiles doubles en fonction de leur période

49 Excentricité des planètes extrasolaires Ce résultat est très énigmatique : en effet les théories de formation des systèmes planétaires nous apprennent que les planètes qui sont formées par agrégation à partir de matériel solide (grains de poussière) dans un disque doivent avoir des orbites presque circulaires, alors que les étoiles qui se forment par effondrement gravitationnel dun nuage peuvent avoir des orbites de forte excentricité.

50 Faut-il revoir le scénario de formation des planètes ? Mais le scénario deffondrement, qui est adopté pour la formation des étoiles, ne peut pas : -former des planètes de petite masse, -former des planètes coplanaires (toutes dans le même plan) comme notre système solaire -Conduire à un système de planètes en résonance, comme cela est observé pour certains systèmes planétaires multiples.

51 Faut-il revoir le scénario de formation des planètes ? Solutions possibles : 1 - interaction planètes-planétes 2 - Excentricité induite par le disque protoplanétaire. 3 - Perturbations Gravitationnelles depuis une étoile compagnon 4 - Perturbations Gravitationnelles dues à des passages détoiles 5 - Formation par instabilité du disque

52 M é tallicit é s Les planètes sont surtout trouvées autour détoiles riches en éléments lourds Le Soleil est du côté des étoiles riches en éléments lourds - 1 ère explication : Pour former une planète, il faut beaucoup déléments lourds - 2 ème explication : La zone convective de létoile a été polluée par les planètes « tombées » sur létoile

53 Proportion des étoiles avec planètes en fonction de leur métallicité

54 Les syst è mes multiples Nous connaissons actuellement 29 systèmes multiples, cest-à- dire possédant au moins 2 planètes et parmi ceux-ci 7 systèmes possédant au moins 3 planètes, un système possédant au moins 4 planètes et un système possédant au moins 5 planètes. And est le premier système multiple découvert en 1999, et on lui connaît maintenant 3 planètes. 55 Cancer : cette étoile a un système de 5 planètes, dont les périodes vont de 2,8 jours à 5218 jours. Les périodes de deux des planètes intermédiaires sont en résonance : Périodes 44,2 jours et 14,65 jours : résonance 1/3 Cette étoiles est peut-être entourée dun disque de poussières (ou effet instrumental ?)

55 Les syst è mes multiples Autres systèmes planétaires dont les périodes des planètes sont en résonance : Gliese 876 : périodes 30,1j et 61,0 j, rapport 1/2 HD : périodes 220 j et 440 j, rapport 1/2 HD : périodes 448,6 j et 919 j, rapport 1/2 47 UMa : périodes 1089 j et 2594 j, rapport 3/7 Le phénomène de résonance peut être consécutif à la migration des planètes due à linteraction planète- nébuleuse. On notera que les phénomènes de résonance sont très rares dans le système solaire.

56 Les transits Un transit correspond au passage de la planète devant son étoile. Il est détecté parce que la lumière de létoile baisse à intervalles réguliers. Il permet la détection directe, non seulement des Jupiters chauds, mais aussi des planètes semblables ou analogues à notre Terre. Principe : On détecte la présence dun planète quand elle passe entre son étoile et lobservateur, grâce à la baisse de luminosité de létoile. Lidée de la détection des planètes par leurs transits est ancienns, puisquelle a été proposée dès 1952 par O.Struve.

57 Représentation dun transit planétaire

58 Ce que nous apprennent les transits Les transits représentent un outil très puissant pour la connaissance de la planète On peut déterminer : -La période orbitale de la planète et donc sa distance à létoile -Le rayon de la planète et donc sa taille -Sa masse (si on connaît la vitesse radiale) -Lalbedo (pouvoir réfléchissant) -La trajectoire Avec létude spectroscopique des transits : -le sens de rotation de létoile par rapport à la trajectoire de la planète -La composition de latmosphère de la planète, et dautres caractéristiques physiques.

59 Les premiers transits observés dune exoplanète : HD b

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61 Un transit de la même étoile vu par Hubble

62 HD b Les observations spectroscopiques des transits par le télescope spatial Hubble ont permis la détection de latmosphère de la planète : raies du sodium, de lhydrogène, de loxygène, et du carbone Linterprétation de certaines observations donne lieu à contestation : la planète dégaze-t-elle ? ou est-ce un phénomène lié au vent solaire ? La planète rayonnant plus que létoile dans linfrarouge, on a pu observer lantitransit » quand la planète passe derrière létoile.

63 Repr é sentation d une plan è te qui « d é gaze »

64 Ou est-ce li é au vent stellaire ? Les protons du vent stellaire capturent des é lectrons de l atmosph è re de la plan è te pour former de l hydrog è ne atomique qui va constituer une enveloppe

65 Une autre plan è te int é ressante avec transit : HD b Le transit de cette plan è te a é t é beaucoup é tudi é : cette plan è te a-t-elle de l eau ?? Les scientifiques ne sont pas d accord entre eux pour l instant …

66 Transit HD

67 Le transit secondaire d HD

68 Le satellite Corot Le CNES a lancé un satellite qui détecte et observe : -les pulsations des étoiles -Les transits de nouvelles planètes extrasolaires.

69 Le satellite CoRoT

70 Le lancement de CoRoT

71 La première exoplanète découverte par le satellite Corot : CoRoT-Exo-1b

72 La question…. Et bien sûr, la question que tout le monde se pose : « Existe-t-il de la vie sur ces planètes, et comment pourrait-on la détecter ? »

73 Zones dhabitabilité

74 Mais nous avons vu que les planètes qui sont actuellement détectables sont presque toutes des planètes très massives, donc semblables à des Jupiters, donc gazeuses, donc inhabitables. Bien sûr, on recherche des planètes beaucoup plus semblables à notre Terre. Nous espérons que les prochains satellites permettront de telles détections. Et il faudra pouvoir « voir » les planètes, ce qui nest pas possible actuellement. Et comment détecterons-nous la Vie sur de tels objets ????

75 Serons-nous capables de détecter la vie sur une planète extrasolaire tellurique ? Les futures missions spatiales nous donneront les premières images et les spectres à basse résolution de ces planètes. Dans le cas dune planète extrasolaire tellurique non-résolue, le spectre de la lumière reflétée par la planète, normalisé au spectre de son étoile, donne le spectre de réflectance de la planète, révélant les couleurs de son atmosphère et de sa surface.

76 A quoi ressemblera le spectre dune planète tellurique non-résolue ? La vie sur une planète extra-solaire sera probablement très différente de la vie sur Terre, qui est la seule planète connue pour abriter la vie. Une façon de répondre à cette question serait de rechercher à quoi ressemblerait le spectre de notre Terre observée à très grande distance, par exemple plusieurs parsecs. Cela aurait pu être fait à partir dun engin spatial se déplaçant dans le système solaire et regardant vers la Terre, comme Voyager 1 en 1990, ou Mars Express en 2003.

77 La Terre vue par Voyager 1, le 14 février 1990, à une distance de km Comment détecter la vie sur une planète non-résolue ?

78 Une autre méthode pour obtenir le spectre moyenné de la Terre, consiste à prendre un spectre de la Lumière Cendrée de la Lune, i.e. le clair de Terre sur la Lune. Un spectre de la Lumière Cendrée donne directement le spectre moyenné du disque de la Terre. A cause de la rugosité de la surface lunaire, chaque endroit de la Lumière Cendrée reflète la totalité de la partie éclairée de la Terre faisant face à la Lune.

79 La Lumière Cendrée (photo Luc Arnold)

80 Le trajet de la Lumière dans lobservation de la Lumière Cendrée

81 Que recherchons-nous dans lobservation de la Terre ? Recherche de la signature des molécules de latmosphère (produits biogéniques ?) O 2, O 3, CH 4, H 2 O, CO 2 Recherche dune activité biologique : Aucune vie animale ne peut être détectée à très grande distance, mais la vie végétale qui couvre de très grandes surfaces peut être détectée.

82 Détection de la vie végétale La végétation a un très haut pouvoir de réflectivité dans le proche infrarouge, plus haut que dans le spectre visible dun facteur 5 environ. Ceci produit une très nette remontée dans le spectre autour de 700 nm, environ, ce quon appelle le « Vegetation Red Edge » (VRE).

83 Végétation et eau à 1.1 m La végétation apparaît très brillante, et leau très sombre.

84 Red edge (Clark 1999) Spectres de réflectance de la végétation « verte », végétation sèche et sol

85 Premiers résultats Depuis 2002, plusieurs observations du spectre de la chlorophylle ont été faites, dabord à lObservatoire de Haute- Provence, puis au Chili. Bien quelle soit soit seulement de quelques pourcents, la signature de la végétation est détectable dans un spectre de la Terre dans sa totalité. De plus, quand cest un océan qui est face à la Lune, la signature est plus petite que quand lAfrique ou lAsie font face à la Lune.

86 La Terre « vue » depuis lobservatoire de Haute-Provence Matin Soir

87 La Terre « vue » depuis lObservatoire Européen Austral au Chili Matin Soir

88 Autres caractéristiques du spectre de la Terre révélées par les observations de la Lumière Cendrée En plus de la chlorophylle de la végétation terrestre, on observe des caractéristiques de latmosphère terrestre : - les bandes dabsorption de loxygène et de leau (O 2 et H 2 O), -et les bandes dabsorption de lozone (O 3 )

89 « Restrictions » des observations de la Lumière Cendrée On sait quà moyennes ou hautes latitudes, les observations de la Lumière Cendrée sont des observations de crépuscule, juste après le coucher du Soleil et juste avant le lever du Soleil. Ces observations sont donc possibles : juste avant ou juste après la Nouvelle Lune et chaque jour durant un court intervalle de temps.

90 Et en première approximation, pour un télescope donné, seulement deux parties éclairées de la Terre peuvent faire face à la Lune : Soit la partie située à louest du télescope pour les observations du soir (début du cycle lunaire), Soit la partie de la Terre située à lest du télescope pour les observations du matin (derniers jours du cycle lunaire).

91 Perspectives Cependant, il existe dautres possibilités : Si les observations sont faites depuis un endroit situé à une haute latitude, les conditions dobservations de la Lumière Cendrée sont différentes. Entre six et huit fois par an, autour des équinoxes, la Lumière Cendrée peut être observée plusieurs heures daffilée, et même, à de très hautes latitudes, pendant le jour nycthémère complet (24 h). Durant ces longues fenêtres dobservation et par suite de la rotation terrestre, différents « paysages » terrestres font successivement face à la Lune. LAntarctique nous offre une telle possibilité.

92 La station Concordia La station Concordia est une base franco- italienne pour la recherche scientifique dont lastrophysique, située au Dome C en Antarctique. Latitude : -75°06 Sud Longitude : 123°23 Est Altitude : 3220 m sur un plateau Temperature moyenne : - 54°C Temperature minimale : °C

93 La station Concordia Il ny a aucune flore ni faune locales. La distance est denviron 1100 km depuis la base française Dumont dUrville (Terre Adélie) et environ 1200 km depuis la baie de Terre Neuve où est établie la station italienne Mario Zucchelli, au delà de la chaîne de montagnes Transantarctique.

94 La station Concordia

95 Situation du Dôme C

96 Le continent Antarctique

97 Préparation…. Il fallut tout dabord demander (et obtenir) des crédits… ensuite concevoir et construire une instrumentation spéciale dédiée aux observations spectroscopiques de la Lumière Cendrée, dans les conditions extrêmes correspondant à la station Concordia. Pendant la campagne de lhiver austral, aucun moyen de transport narrive à la station. La station est matériellement complètement isolée. Les contacts ne se font que par téléphone ou courrier électronique. Le matériel doit donc être terminé et acheminé sur place avant l«isolement» de la station.

98 Détection de la vie à très grande distance La vie sur de nouvelles planètes prendra certainement des formes qui nous sont actuellement complètement inconnues. Nous nous basons sur la seule forme de vie que nous connaissons : la vie terrestre.

99 Détection de la vie animale : Aucun animal, ni groupe danimaux, nest assez grand pour être visible à la distance dune exoplanète. Détection de la vie ie végétale : La vie végétale couvre sur Terre de telles surfaces quune détection à très grande distance est possible. Pour préparer des observations de recherche de vie sur une planète extra-solaire, on recherche à détecter la végétation sur Terre, comme si la Terre était une planète extra-solaire. Et on étudie les indices de la chlorophylle.

100 Observation de la Lumière Cendrée de la Lune

101 Recherche de la chlorophylle terrestre dans la Lumière Cendrée de la Lune Cette étude se fait actuellement en Antarctique, au Dôme C, dans la station scientifique franco-italienne Concordia, avec des scientifiques astronomes spécialistes des planètes extra-solaires, géophysiciens spécialistes de la reflectance des plantes, et bien sûr des ingénieurs.

102 Lespérience LUCAS

103 Septembre 2008

104

105 Lastronomie en Antarctique

106 Le rêve de tout exobiologiste Une planète avec une végétation très facilement détectable, sans nuages, et sans océans. Les baobabs, dans « Le Petit Prince », Antoine de Saint-Exupéry

107 Quelques sites sur les plan è tes extra-solaires Un site "grand public" sur les plan è tes extrasolaires, fait par des chercheurs de l'observatoire de Paris-Meudon : Un site contenant toutes les informations scientifiques sur les plan è tes et mis à jour quotidiennement par Jean Schneider, chercheur à l'observatoire de Paris-Meudon:

108 En guise dau revoir…


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