Observation du système solaire avec ALMA : planètes, satellites, petits corps lointains

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1 Observation du système solaire avec ALMA : planètes, satellites, petits corps lointains A. Moullet (SMA), E. Lellouch et R. Moreno (LESIA) Journées SF2A 2010, Atelier Action Spécifique ALMA, 23 juin 2010

2 Le système solaire observé dans le millimétrique Mesure de l'émission thermique CO(2-1) sur Neptune, Marten et al., 1994 Atmosphères : - raies rotationnelles CO, H 2 O, SO 2, HDO,... profils verticaux (1bar-1μbar) température/pression/abondance - continu collisionnel ~ 1 bar Surfaces : surfaces et sous-surfaces froides (30-150K) albédo, taille, propriétés thermophysiques Cartographie du décalage Doppler sur une raie de CH 3 CN sur Titan, Moreno et al., Cartographie résolution à 345 GHz ~10 (IRAM-30m), 0.3 (SMA) Venus 10-30, Jupiter 45, Neptune 2, Titan 0.8 cartes de température (gaz, surface), abondance, dynamique atmosphérique

3 Cartographie CO, Détection SO 2, H 2 O, HDO, SO Dynamique mésospherique Détection PH 3, H 2 O, NH 3, CO, CS Cartographie HCN Io : cartographie SO 2, SO Détection NaCl, Dynamique atmosphérique Détection H2O Détection CO, HCN, H2O Mesures de température de brillance Cartographie CO Détection H 2 O 2, H 2 O,HDO Dynamique atmosphérique ~50 km Détection PH 3, CO,H2O Titan : Détection HCN, CO, HC 3 N, CH 3 CN, H2O Dynamique atmosph. Détection de Pluton et 7 autres objets transneptuniens/centaures

4 ALMA : une nouvelle échelle de performances Gain en sensibilité : bande 7 ~x20, bande 6 ~x40 (cont), ~x12 (line) - détection de raies faibles, espèces minoritaires - détection d'objets moins lumineux - meilleur S/B sur raies et cartes Gain en résolution : - cartographie avec un bon S/B jusqu'à mas ( km à 5 UA, km à 20 UA) Imagerie : - bonne couverture quasi-instantanée du plan de Fourier Couverture instantanée du plan de Fourier, decl=-10 o, 50 antennes

5 Cartographie SO 2, HDO Recherche O 2, HCl, NH 3 Cartographie instantanée de la dynamique Cartographie H 2 O 2, HDO Recherche SO 2, OCS, H 2 S, OH,... Cartographie instantanée de la dynamique Cartographie HDO Io : cartographie SO, NaCl, KCl Recherche S 2 O, S 3, SiO,... Dynamique atmosphérique Cartographie HDO, CO Titan : Cartographie HCN, Recherche HDO, DCN Encelade : recherche CO Recherche HDO, HCN, PH 3, CO Cartographie CO Recherche PH 3, HDO ~500 objets transneptuniens/ Centaures : détection surface, Separation binaires Pluton : detection CO

6 VENUS : cartographie quasi- instantanée de la dynamique dans la haute atmosphère Sondage de la haute mésosphère ( km) par les raies de CO (bandes 3,6,7) Observations antenne unique (résolution >10 ), et interférométriques (4, PdBI) : - zone transition dynamique vent zonal (troposphère) / gradient thermique diurne (thermosphère) - fortes variations des régimes et des vitesses ~heures ALMA : cartographie < 30 minutes Résolution 0.5 suffisante (Venus : ) Pas de limitations dues à la proximité du Soleil Décalages Doppler mesurés dans les raies de CO, IRAM-30m, Lellouch et al., 2008

7 PLANETES GEANTES : mesure du rapport D/H dans la vapeur d'eau externe Raies fortes de HDO 599, 753, 827 GHz. non détectées sur les planètes géantes ALMA : sensibilité possiblement suffisante pour mesure intégrée ou cartographie au limbe (Jupiter/Saturne), abondance HDO Rapport HDO/H 2 O : -> origine de l'oxygène : interne, cométaire, locale, MIP Mesure de l'abondance de l'eau : Herschel HIFI + PACS (Water in Solar System Key Project) Mesure D/H dans H 2 : Herschel PACS Spectre PACS de Neptune, Lellouch et al., 2010

8 IO : cartographie des vents et des espèces mineures Mesure et cartographie des raies de SO 2, SO, NaCl et des décalages Doppler Décalages Doppler dans une raie de SO 2, Moullet et al., 2008 Observations interférométriques (SMA, PdBI, résolution> Io 1 ) : - SO et NaCl proches des centres volcaniques - dynamique inexpliquée : vent zonal prograde (~200 m/s) - interprétation limitée par la résolution spatiale ALMA en configuration moyenne (3-6 km): - résolution 50 mas dans la bande 7 - détection/cartographie possible d'autres espèces Simulation de cartographie ALMA de SO 2 à 345 GHz, résolution 70mas

9 PLUTON : cartographie de la surface, caractérisation de l'atmosphère Cartographie de l'émission thermique d'une surface : - localisation d'albédos/terrains - variations de la temperature diurne/latitudinale Surface de Pluton observée à 345 GHz. Simulation GILDAS. ALMA : première cartographie thermique possible des planètes naines : résolution ~25 mas bande 7, configuration très étendue Détection possible de composés atmosphériques CO (bande 6/7) Simulation de la raie CO(3-2) sur Pluton. Courtesy M.Gurwell, B. Butler

10 CENTAURES/OTN : détection thermique Détection de l'émission continue thermique des surfaces des corps non résolus - accès à la taille/albédo 8 objets détectés dans le mm/sub-mm, ~50 dans l'ir ALMA : détection possible de ~ 500 objets avec la bande 7/6 en 1 heure Erreur sur le diamètre dérivé ~15-20% Résultats complémentaires de Herschel, «TNOs are cool» key program (~140 objets) Diamètre minimal pour une détection en 1 heure.

11 CENTAURES/OTN : séparation des systèmes multiples Identification de systèmes multiples : - masse du système - type de formation - tailles relatives 50 systèmes multiples connus, identifiés par HST/STIS. Separation 40 mas ALMA en configuration très étendue : séparation 10 mas (850 GHz) pour très grands objets, 25 mas (345 GHz) pour 250 systèmes potentiels Performances équivalentes à celles du JWST Système binaire séparé de 12 mas, à 30 UA, observé à 675 GHz. Simulation GILDAS.

12 Early science Call for proposals Cartographie de la dynamique atmosphérique sur Venus bandes 6/7, resolution 0.5 Exploration de la chimie de l'atmosphère martienne + cartographie de HDO Exploration de la chimie de l'atmosphère de Titan Détection d'une dizaine de Centaures/TNO brillants