LES PLANÈTES EXTRASOLAIRES Danielle Briot Observatoire de Paris

A LA RECHERCHE D'AUTRES MONDES Quelques rappels historiques Le débat sur la multiplicité des Mondes remonte à l'antiquité classique. Les philosophes grecs Démocrite et Epicure et le poète latin Lucrèce défendent l'existence d'autres mondes habités : "Les mondes sont illimités et différents 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 inégaux et dans certains endroits du cosmos, il y en plus, alors qu'il y en a moins dans d'autres." Démocrite ( 470 - 365 av. J.C.)

"Il existe des mondes infinis semblables et différents du nôtre." Epicure, disciple de Démocrite, (342 - 270 av. J.C.) Lettre à Hérodote Platon et Aristote sont d'un avis contraire : "… S'il en est ainsi, le ciel doit nécessairement être un et non multiple." - Aristote (384 - 322 av. JC)

Saint Augustin ( 354 - 430) 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 (1193 - 1280) et Thomas d'Aquin (1225 - 1274). 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.

A la fin du XVIème siècle, Giordano Bruno (1548 - 1600) à partir d'une démarche théologique défendit la multiplicité des mondes, peuplés d'une multiplicité de vies : "C'est ainsi que l'excellence de Dieu se trouve magnifiée 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 infinité [de mondes]"

Galilée (1564 - 1642) et Descartes (1596 - 1650) furent beaucoup plus prudents à ce sujet, ainsi que Képler (1571 - 1630). En 1686, Fontenelle (1657 - 1757) publia "Entretiens sur la Pluralité des Mondes ": "Les étoiles sont autant de soleils dont chacun éclaire un monde."

« La pluralité des Mondes »

Au XVIIIème siècle, l'existence de la vie sur d'autres planètes était couramment acceptée par les astronomes : "Les cieux sont semés de corps lumineux qui, semblables à notre soleil, font vraisemblablement rouler des planètes dans différentes orbites. " Condillac, « Cours d'étude pour l'Instruction du prince de Parme » (1775)

mis à jour quotidiennement et maintenant…. Depuis 1995, nous avons la réponse à l’une des questions les plus importantes de l’astronomie : Existe-t-il des planètes autour d’autres étoiles que notre Soleil ? Aujourd’hui, 27 août 2008, nous connaissons 306 exoplanètes. Pour toute information, voir le site : http://exoplanet.eu/ mis à jour quotidiennement

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 qu’elles reflètent de leur étoile et qui est environ un million de fois moins brillante que la lumière de l’étoile. Elles sont « noyées » dans la lumière de l’étoile, et donc invisibles.

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

Les planètes réfléchissent la lumière du Soleil Méthodes de détection Les planètes réfléchissent la lumière du Soleil Méthodes indirectes : Déplacement de l’étoile Variation de vitesse radiale Transit planétaire On ne peut pas voir directement les planètes avec les méthodes actuelles.

Mouvement autour du centre de gravité Centre de gravité fixe

Planète Etoile Centre de gravité

Astrométrie : Mouvement propre 1950 1997 Etoile de Barnard Si l’étoile a une planète, le déplacement ne se fera en ligne il y aura une oscillation

Etoile double : Sirius Peter Van de Kamp Pas assez sensible pour la détection des planètes Etoile de Barnard : Van de Kamp (~1970) Lal 21185 : 2 planètes ? (Gatewood 1997)

Effet Doppler - Fizeau Fizeau Doppler

La méthode des vitesses radiales A : étoile B : planète invisible De l’ordre de 50 à 100 km/h

Découverte de la première planète extra-solaire en Novembre 1995 autour de l’étoile 51 Peg

Télescope de 1,93m de l’Observatoire de Haute Provence

51 Peg b SpectrographeElodie Précision de l’ordre de 30 km/h Michel Mayor et Didier Queloz

Variations périodiques des Vitesses Radiales de 51 Peg

Le spectre de 51 Peg

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.

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

Képler

Une étonnante planète…. La masse de la planète 51 Peg b est égale à 0.468 MJupiter. Ce qui signifie qu’il s’agit d’une 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. C’est une des plus grosses surprises que nous a apportées la découverte de 51 Peg b.

Evolution des découvertes depuis la première planète extra-solaire 1995 Walker et al. : programme de 21   rien 1995 Mayor et al. : programme de 142   51Peg Marcy et Butler: programme de 120   + 5 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

Actuellement, Ensemble des catalogues : 306 planètes Dont essentiellement Exoplanètes détectées par vitesses radiales: 248 systèmes planétaires 249 Planètes 29 systèmes planétaires multiples

Et aussi : Exoplanètes détectées par transit : 52 Planètes Exoplanètes détectées par microlentille : 7 Planètes Exoplanètes détectées par imagerie : 5 Planètes Exoplanètes détectées par chronométrage : 3 systèmes planétaires 1 système planétaire multiple

Etudes actuelles Le nombre de planètes extra-solaires connues est suffisant pour nous permettre d’en dégager les propriétés générales. Certaines de ces propriétés générales sont tout-à-fait inattendues, elles posent de nombreuses questions et nous obligent parfois à revoir les connaissances acquises auparavant. Nous pouvons déjà dire que nous n’avons pas encore trouvé de système planétaire ayant les mêmes propriétés que notre système solaire.

Ce qu’on connaissait : Jusqu’en 1995, un seul exemple connu : le Système Solaire. C’est 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……

Quelques propriétés des planètes extrasolaires. On s’attendait 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. des planètes avec des excentricités très faibles des planètes avec des excentricités qui peuvent être très grandes.

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

Les périodes des planètes extra-solaires Situation actuelle • Il existe de nombreuses planètes avec d ≤ 0.1 AU • Biais observationnel (qui diminue avec le temps) • Configuration inattendue • Il existe une accumulation P  3j, 3.5j, qui ne résulte pas d’un biais observationnel (résultat différent de ce qui est observé pour les étoiles doubles) • Les théories existantes en 1995 montraient qu'il n'est pas possible de former des Jupiters en deçà de la trajectoire de Jupiter (cœur de glace)

Les périodes des planètes extrasolaires (jusqu’à 1000 jours)

Les périodes des planètes extrasolaires (jusqu’à 10 jours)

Solutions possibles Migration : Interaction gravitationnelle de la planète avec le disque de poussières dans lequel elle se déplace. Interaction gravitationnelle de la planète avec un autre compagnon Mais il faut alors expliquer le phénomène de freinage :  Cavité magnétosphérique du disque d'accrétion - Interaction de marée étoile/planète - Débordement du lobe de Roche de la planète qui entraînerait un mouvement vers l’extérieur - Interaction étoile/planète - Photo-évaporation du disque par le rayonnement de l’étoile centrale, provoquant un vide près de l’étoile - Autre hypothèse : formation in-situ

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 » l’inclinaison du système par rapport à l’observateur. Ne pas oublier que les planètes de « petite masse », planètes de masse terrestre, ne peuvent pas pour l’instant être déterminées à partir de variations de vitesses radiales, parce qu’insuffisantes.

Distribution des masses des planètes extra-solaires

Masses des planètes extrasolaires

Planète ou étoile double ? Problème de masse limite entre planète et naine brune : On considère : Mpl < 13 MJup : on a une planète M* > 70 MJup : on a une étoile Entre ces deux masses : c’est 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.

Histogramme selon leur masse des compagnons d’étoiles de type solaire

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, c’est à dire très proches de leur étoile, ont de petites excentricités, c’est à dire des trajectoires circulaires. Ceci peut s’expliquer par les effets de marée entre l’étoile 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.

Excentricités des planètes extrasolaires suivant leur distance à l’étoile

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

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 aggrégation 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 d’un nuage peuvent avoir des orbites de forte excentricité.

Faut-il revoir le scénario de formation des planètes ? Mais le scénario d’effondrement 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. 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 d’étoiles 5 - Formation par instabilité du disque

Métallicités Les planètes sont surtout trouvées autour d’étoiles riches en éléments lourds Le Soleil est du côté des étoiles riches en éléments lourds - 1ère explication : Pour former une planète, il faut beaucoup d’éléments lourds - 2ème explication : La zone convective de l’étoile a été polluée par les planètes « tombées » sur l’étoile

Proportion des étoiles avec planètes en fonction de leur métallicité

Métallicité des étoiles avec planètes

Les systèmes multiples Nous connaissons actuellement 29 systèmes multiples, c’est-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 d’un disque de poussières (ou effet instrumental ?)

Les systèmes 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 82943 : périodes 220 j et 440 j, rapport 1/2 • HD 128311 : 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 l’interaction planète-nébuleuse. On notera que les phénomènes de résonance sont très rares dans le système solaire.

Les transits Un transit correspond au passage de la planète devant son étoile. Il est détecté parce que la lumière de l’étoile 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 d’un planète quand elle passe entre son étoile et l’observateur, grâce à la baisse de luminosité de l’étoile. L’idée de la détection des planètes par leurs transits est ancienns, puisqu’elle a été proposée dès 1952 par O.Struve.

Représentation d’un transit planétaire

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 l’étoile Le rayon de la planète et donc sa taille Sa masse (si on connaît la vitesse radiale) L’albedo (pouvoir réfléchissant) La trajectoire Avec l’étude spectroscopique des transits : le sens de rotation de l’étoile par rapport à la trajectoire de la planète La composition de l’atmosphère de la planète, et d’autres caractéristiques physiques.

HD 209458 On a pu observer les transits de la planète qui orbite autour de l’étoile HD 209458, planète qui a été découverte par la méthode des vitesses radiales. Quelques données : Périodeplanète = 3,5 j Rplanète = 1,6 RJup Mplanète = 0,69 MJup Distance * - planète = 0,045 UA T* = 6000 K T planète = 1200 K Distance au Soleil : 150 années lumière

Les premiers transits observés d’une exoplanète

Un transit de la même étoile vu par Hubble

HD 209458  Reprise des observations Hipparcos : amélioration de la détermination de la période de la planète  Les observations spectroscopiques des transits par le télescope spatial Hubble ont permis la détection de l’atmosphère de la planète : raies du sodium, de l’hydrogène, de l’oxygène, et du carbone  L’interprétation 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 l’étoile dans l’infrarouge, on a pu observer l’antitransit » quand la planète passe derrière l’étoile.

Représentation d’une planète qui « dégaze »

Ou est-ce lié au vent stellaire ? Les protons du vent stellaire capturent des électrons de l’atmosphère de la planète pour former de l’hydrogène atomique qui va constituer une enveloppe

Une autre planète avec transit : HD 189733 Le transit de cette planète a été beaucoup étudié : cette planète a-t-elle de l’eau ??

Transit HD 189733

Le transit secondaire d’HD 189733

Parmi les derniers résultats obtenus : Planètes détectées par le satellite CoRot à partir des transits 1ère Planète détectée : CoRoT-Exo-1b Période : 1,5 jour Masse : 1,3 MJup Distance du Soleil : 1500 AL

Le lancement de CoRoT

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

CoRoT a annoncé plusieurs nouvelles exoplanètes dont : CoRoT-exo-3B entre une naine brune et une étoile ? Sa densité est 2 fois celle du platine Et une planète dont le rayon est 1,7 fois le rayon de la Terre (à confirmer…)

Le plus petit signal détecté

Limites de détection des planètes

Zones d’habitabilité

Quelques sites sur les planètes extra-solaires Un site "grand public" sur les planètes extrasolaires, fait par des chercheurs de l'observatoire de Paris-Meudon : http://media4.obspm.fr/exoplanetes/ Un site contenant toutes les informations scientifiques sur les planètes et mis à jour quotidiennement par Jean Schneider, chercheur à l'observatoire : http://vo.obspm.fr/exoplanetes/encyclo/