OBJECTIF TERRE. Pascal Fouqué Toulouse 2/11/2010

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1 OBJECTIF TERRE Pascal Fouqué Toulouse 2/11/2010

2 Planètes du système solaire 8 planètes + 5 planètes naines: Pluton, Cérès, Eris, Makemake, Haumea

3 Système Solaire a P Masse (UA) (M T ) Sol G2V 5780 K UA ~ 215 R sol Mercure j Venus j Terre j 1 Mars j Jupiter a 318 (10-3 M sol ) Saturne a 95 Uranus a 14.5 Neptune a 17.2

4 Les planètes sont des objets communs, qui se forment naturellement avec les étoiles

5 Scénario Standard Formation stellaire Effondrement d un nuage H -> étoiles Disque protostellaire -> nurserie de planètes Produit final Planètes rocheuses au centre (gaz évaporé) Agglomération de silicates Planètes géantes gazeuses dans les régions extérieures à la limite des glaces -> formation rapide d un coeur -> accrétion de gaz le long de l orbite

6 Disques Protostellaires

7 Exoplanètes: que veut on savoir? Rares ou fréquentes? Autour de tous les types d étoiles? Composition: rocheuses/gazeuses? Sur quelles trajectoires? Composition - La vie?

8 Détection d exoplanètes: 493 Directe: Imagerie directe: difficile Séparation et Contraste: 10 6 a 10 9 Optique adaptative + coronographie Indirectes: Astrométrie: mesure des oscillations de position de l étoile Vitesses Radiales (Effet Dopler) : oscillations de vitesse radiale de l étoile sous l accélération induite par la planète. Transits: diminution du flux apparent du fait du passage du compagnon devant l étoile µlentille (gravitationnelle): signature dans la courbe de lumière chronométrage: 12 planètes 1 système planètes 47 systèmes 100 planètes 11 planètes 1 système 10 planètes 3 systèmes

9 Historique 1992 Premières planètes autour de pulsars! 1995 Jupiters chauds par vitesse radiale Zoo des planètes gazeuses 1999 Systèmes multiples Premiers transits Détection directe, Neptunes 2005 Planètes telluriques K?

10 Détection directe Difficile Proximité étoile-planète Contraste défavorable ( ) Infrarouge meilleur Masses mal determinées Planète ou naine brune? Liée ou non liée? 3000K 300K

11 Optique adaptative coronographie image finale

12 Détection directe Première détection directe d une exoplanète: Septembre 2004 Gaël Chauvin (ESO) Naine brune 26 M J et planète géante 4 M J A: K7V 0.7M 140 pc b: 22 (1-42) M UA

13 Vitesses radiales Vélocimétrie: déplacement des raies dans le spectre de l étoile par effet Doppler Jupiter/Soleil -> 12 m/s sur 12 ans: Bolt au 100m Terre / Soleil -> 9 cm/s sur 1 an ~10-4 à 10-5 nm : Résolution, Stabilité, Calibration Longues périodes: durée de suivi

14 Spectre Echelle Coralie ordres nm R~

15 1992 : PSR B Wolszczan & Freil Arecibo 305m R.T Pulsar 1.4 M sol à 500 pc 3 planètes: 25j 67 j 98 j 1.6 M L 4.3 M T 3.9 M T 0.19 AU 0.36 AU 0.46 AU

16 1995: La 1 ère planète: Pégase 51 b Découverte faite à l OHP 1.93m avec Elodie Précision ~10 ms -1 Michel Mayor Didier Queloz Mayor et Queloz Marcy et Butler

17 51 Peg b A 48 a-l, une étoile G2 1.1 M sol Surprise! M pl = 0.47 M Jup P = 4.23 jours a = UA Prototype des Jupiters Chauds Planète impossible! Formation? Biais d observation? Lynette Cook

18 Planètes extra-solaires: résultats : 495 planètes (~7% des étoiles observées) On attendait Jupiters Orbites circulaires Périodes de ~10 ans (5 UA) On trouve J M Jup <M pl <13 M Jup 0 < e < 0.98 Périodes courtes 0.8 j < P < 900 ans Jupiters, Neptunes chauds Migration? Petites planètes? Jupiters chauds -> ~1% des étoiles observées

19 Upsilon Andromedae, 3 planètes! Ups And b Ups And c Ups And d 1999

20 µ Aræ : 1 ère planète similaire à Neptune 2004: 4 planètes connues: 0.6 M nep, 0.5, 1.7, 1.8 M jup

21 HD69830: 3 Neptunes et des astéroides! b c d M/M T A/AU P /j K m s

22 HISTORIQUE DES VITESSES RADIALES Deux équipes phares : Les Suisses (Mayor, Queloz et Cie) : Elodie,Coralie,Harps Les Américains (Marcy, Butler et Cie) 1995 Walker et al. : 21 étoiles sans compagnons 1995 Mayor & Queloz : 140 étoiles : découverte de 51 Peg! SURPRISE 1996 Marcy & Butler : 120 étoiles : + 5 planètes 1998 Marcy & al: Gliese 876b : naine M : 20 planètes dont les 3 de Ups And; Jupiters chauds : Doppler+Transit de HD : PREUVE! 2000 Marcy et al.: 2 planètes sub-saturne 2004 Mayor et al.: mu Arae d: 14-Terre (HARPS@La Silla) Neptunes chauds! 2005 Gliese 876 d 7.5-Terre a UA (1.94 j) planètes détectées par cette méthode HD Neptunes ~ 1UA: 10, 12, 18 Terres systèmes multiples Gliese 581c (HARPS) M2V 5M T UA 12 jours T~290K Marcy Butler: 5 ieme planète autour de 55 Cancri

23 55 Cancri (alias Rho1 Cancri) Distance 13.4 pc (40 a.l.) mag 5.95 Type spectral G8V Masse 0.95 M Luminosité 0.63 L Température 5300 deg

24 55 Cancri: Les 5 planètes Name 55 Cnc b 55 Cnc c 55 Cnc d 55 Cnc e 55 Cnc f année Période j (± ) j (± 0.007) 14.7 an (± 230 j) j (±0.0001) j (± 1.1) M sin i 0.82 M J (± 0.12) M J (± 0.026) 3.84 M J (± 0.58) M J (±0.0049) M J (± 0.039) Distance (UA) ± ± ± ± ± i = 53 ± 7 deg (HST) 1.03 M J 0.21 M J 3.8 M N 4.8 M J 9.4 M T 0.18 M J 3.3 M N

25 Télescope dédié: Euler + Coralie à Elodie + Coralie: 60 planètes

26 Spectrographe HARPS: ESO 3.6 La Silla R P 0.01 mb T ±0.01 K K 1 m s-1

27 HARPS : formule 1 des spectrographes: 50 planètes

28 Gliese 581 Mesures+modèle périodogrammes

29 Gliese 581 Etoile M 0.31 M sol L sol à 6.3 pc (mag 10.5) Planète b c d e P (jours) K (ms -1 ) M sin(i) M T a (AU)

30 Pegase 51 b Prototype des Jupiters Chauds Candidats avantageux Etudes complémentaires Transit Propriétés physiques Etude atmosphère Evaporation Lynette Cook

31 TRANSITS Transits : flux dimming Δf f ~ 10-2 r p R J 2 R * R sun 2 V.R. + Transit : Rayon Masse Densité HD Nouvelle technique de détection >20 programmes Des 100,000 s d étoiles suivies

32 Premier exotransit détecté: HD Mazeh et al 1999 P = 3.5j M sin i = M J Sept 1999 Rp = 1.54 R J i = 85.2 deg Charbonneau et al 2000

33 Amélioration des paramètres: HD Meilleurs paramètres actuels: M p = ± M Jup R p =1.32 ± R Jup ρ = 0.42 g/cm 3 = 0.61 ρ Sat Charbonneau et al. (2000) HST Brown et al. (2001)

34 Nouvelle technique de détection >20 programmes (grands champs) Des 100,000 s d étoiles suivies 100 planètes Planètes géantes : 10-2 mag Planètes telluriques: 10-4 mag Missions spatiales Terre Jupiter

35 XO-1 Un exemple de collaboration amateurs-professionnels 0.9 Mjup, 1.18 Rjup, période 3.94 jours

36 100 transits planétaires connus Périodes P = jours Probabilité p t = R star / a = 0.1 Profondeur di/i=(r pl /R * )=0.01 Durée t ~ 3 heures Lynette Cook

37 Missions spatiales: CoRoT - Kepler CoRoT (27 déc. 2006) 0.27 m télescope champ: 7 deg. carré (A+E) précision: ~ 10-4 mag Kepler (7 mars 2009) 0.95 m tél., étoiles champ: 105 deg. carré précision: ~ 10-5 mag COROT Centaines de nouveaux transits planétaires géants Quelques transits Terre Kepler

38 Transit + V.R. = densité Profondeur de transit OGLE % TRES-1 2.3% XO-1 2.0% OGLE % OGLE % OGLE % OGLE %

39 CoRoT-1b Mai 2007: 1.0 M J 1.5 R J 1.5 jour Avant maîtrise complète des biais: inc

40 CoRoT-3b Septembre 2008: naine brune: 22 M J 1.0 R J => densité 26 ± 6 (Osmium: 22.6 g cm -3 ) 4.3 jours CoRoT-7b Février 2009: 4.8 M T 1.68 R T 0.85 jour: plus petite planète dont le rayon et la masse aient été mesurés

41 Détection de l atmosphère des planètes extra-solaires Atmosphère opaque Planète plus grande Transit plus profond

42 HD b: une planète comète Détection de sodium, hydrogène, carbone, oxygène (Vidal-Madjar et al.) Atmosphère étendue -> Pas seulement évaporation -> blow off -> Queue cométaire

43 Oct.2007 HD189733b : de l eau!

44 Observations IR: Transit primaire de HD b Star flux A 3.6, 5.8 and 8 µm, différentes profondeurs de transit ~ 0.08%

45 Transits secondaires

46 Spectre HD b

47 Temperature HD189733b 8µm 1200 K 900 K

48 CoRoT -> Kepler -> Plato -> Darwin Recherche de planètes pouvant porter la vie Recherche de planètes par transit Sélection d étoiles proches Recherche de CO2, H2O, O3

49 Exoplanètes (octobre 2010)

50 Exoplanètes (octobre 2010) 47 systèmes multiples: 32 (2) 10 (3) 2 (4) 1 (5) 2 (6) 23 planètes de moins de 10 masses terrestres: Super- Terres Record: PSR b: 1.6 masse lunaire Ensuite: MOA 2007-BLG-192Lb: 3.3 ( ) OGLE 2005-BLG-390Lb: 5.5 (2.8-11) PSR d: 3.9 ( ) HD b, HD 40307b: >4.2 Gliese 581e: >1.9 CoRoT-7b: 4.8 ( ) R=1.68 R T

51 M V T M J Systèmes multiples (mars 2009)

52 Zone habitable Température augmente vapeur GLACE Zone habitable = présence d eau liquide

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54 END