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, septembre 2008, nous connaissons 310 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.

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

L’effet Doppler

L’effet Doppler sur les spectres des étoiles

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, septembre 2008 Ensemble des catalogues : 309 planètes Dont essentiellement Exoplanètes détectées par vitesses radiales: 249 systèmes planétaires 292 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 expliquent 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 Les compagnons sont des planètes (à gauche) ou des étoiles (à droite)

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

Faut-il revoir le scénario de formation des planètes ? Mais le scénario d’effondrement, 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.

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 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

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.

Les premiers transits observés d’une exoplanète : HD 209458b

Un transit de la même étoile vu par Hubble

HD 209458b  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 intéressante avec transit : HD 189733b Le transit de cette planète a été beaucoup étudié : cette planète a-t-elle de l’eau ?? Les scientifiques ne sont pas d’accord entre eux pour l’instant…

Transit HD 189733

Le transit secondaire d’HD 189733

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

Le satellite CoRoT

Le lancement de CoRoT

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

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 ? »

Zones d’habitabilité

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 n’est pas possible actuellement. Et comment détecterons-nous la Vie sur de tels objets ????

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 d’une 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.

A quoi ressemblera le spectre d’une 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 d’un engin spatial se déplaçant dans le système solaire et regardant vers la Terre, comme Voyager 1 en 1990, ou Mars Express en 2003.

Comment détecter la vie sur une planète non-résolue ? La Terre vue par Voyager 1, le 14 février 1990, à une distance de 6400000000 km Comment détecter la vie sur une planète non-résolue ?

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.

La Lumière Cendrée (photo Luc Arnold)

Le trajet de la Lumière dans l’observation de la Lumière Cendrée

Que recherchons-nous dans l’observation de la Terre ? Recherche de la signature des molécules de l’atmosphère (produits biogéniques ?) O2, O3, CH4, H2O, CO2 Recherche d’une 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.

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 d’un facteur 5 environ. Ceci produit une très nette remontée dans le spectre autour de 700 nm, environ, ce qu’on appelle le « Vegetation Red Edge » (VRE).

Végétation et eau à 1.1m La végétation apparaît très brillante, et l’eau très sombre.

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

Premiers résultats Depuis 2002, plusieurs observations du spectre de la chlorophylle ont été faites, d’abord à l’Observatoire de Haute-Provence, puis au Chili. Bien qu’elle 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 c’est un océan qui est face à la Lune, la signature est plus petite que quand l’Afrique ou l’Asie font face à la Lune.

La Terre « vue » depuis l’observatoire de Haute-Provence Matin Soir

La Terre « vue » depuis l’Observatoire Européen Austral au Chili Matin Soir

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 l’atmosphère terrestre : - les bandes d’absorption de l’oxygène et de l’eau (O2 et H2O), et les bandes d’absorption de l’ozone (O3)

« Restrictions » des observations de la Lumière Cendrée On sait qu’à 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.

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 l’ouest du télescope pour les observations du soir (début du cycle lunaire), • Soit la partie de la Terre située à l’est du télescope pour les observations du matin (derniers jours du cycle lunaire).

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

La station Concordia La station Concordia est une base franco-italienne pour la recherche scientifique dont l’astrophysique, 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 : - 81.9°C

La station Concordia Il n’y a aucune flore ni faune locales. La distance est d’environ 1100 km depuis la base française Dumont d’Urville (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.

La station Concordia

Situation du Dôme C

Le continent Antarctique

Préparation…. Il fallut tout d’abord 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 l’hiver austral, aucun moyen de transport n’arrive 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.

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.

Détection de la vie animale : Aucun animal, ni groupe d’animaux, n’est assez grand pour être visible à la distance d’une exoplanète. Détection de la vie ie végétale : La vie végétale couvre sur Terre de telles surfaces qu’une 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.

Observation de la Lumière Cendrée de la Lune

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.

L’espérience LUCAS

Septembre 2008

L’astronomie en Antarctique

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

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 de Paris-Meudon: http://vo.obspm.fr/exoplanetes/encyclo/

En guise d’au revoir…