A la recherche des exo-planètes et des exo-terres. Marc OLLIVIER Institut d Astrophysique Spatiale d Orsay

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1 A la recherche des exo-planètes et des exo-terres Marc OLLIVIER Institut d Astrophysique Spatiale d Orsay

2 Un peu d histoire 1 : L ère des intuitifs Epicure (~ -300) : Adresse à Hérodote Ce n est pas seulement le nombre des atomes, c est celui des mondes qui est infini dans l Univers. Il y a un nombre infini de mondes semblables au nôtre et un nombre infini de mondes différents [...] On doit admettre que dans tous les mondes, sans exception, il y a des animaux, des plantes, et tous les êtres que nous observons [ ] Giordano Bruno (1600) : L infini, l Univers et les mondes Huygens ( ) : N hésitons pas, nous, à admettre avec les principaux Philosophes de notre temps, que la nature des étoiles et celle du Soleil est la même. D où résulte une conception du monde beaucoup plus grandiose que celle qui correspond aux vues antérieures plus ou moins traditionnelles. Car qu est-ce qui empêche maintenant de penser que chacune de ces étoiles ou Soleils a des Planètes autour d elle et que ces planètes à leur tour sont pourvues de Lunes? 2

3 Un peu d histoire : 2 : l ère des observateurs 1931 : Berman : m= 45Mj 1960 : Van de Kamp : étoile de Barnard 1981 : β pictoris 1985 : Mc Carthy et al. : Van Biesbroeck 8 B 1992 : Wolszczan : PSR : Walker : rien en dessus de 3 Mj autour de 21 étoiles 1995 : Mayor et Queloz : 51 Pégase 3

4 51 Pégase 4

5 Exo-planétologie : Stratégie «pas à pas» apple Recherche de planètes géantes ( ) : Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol) 5

6 Détecter indirectement une exoplanète O p (m p ) G O s (m s ) L étoile tourne autour de G GOp = m s m s + m p O s O p Astrométrie Mesure des vitesses radiales 6

7 Astrométrie 7

8 Effet Doppler-Fizeau acoustique Emetteur à l arrêt Emetteur en mouvement b 8

9 Effet Doppler-Fizeau optique 9

10 Mesure des vitesses radiales Objet δv R (m.s -1 ) Jupiter 12.5 Saturne 2.8 Uranus 0.3 Terre Peg B 130 Limite actuelle (HARPS) ~ 1m.s -1 10

11 Des planètes par dizaines 07/02/2007 Environ 4000 étoiles surveillées : - naines FGKM essentiellement (3000 K < T < 7500 K) - échantillonnage temporel variable - plusieurs équipes avec redondance 179 systèmes planétaires 209 planètes (~200 par VR) 21 systèmes multiples : ex : HD m(m ) a(u.a) p(j) b O c d

12 Distribution en masse des exoplanètes Limitée aux planètes géantes (cf. limitations de la méthode) Distribution piquée vers les faibles masses 12

13 Distribution en distance des exoplanètes Planètes à très courte distance : les «Jupiters chauds» 13

14 Relation masse - distance 14

15 Excentricité des exoplanètes 15

16 Metallicité d une étoile H (X), He (Y), et les métaux (Fe ou Z) : Z : metallicité X+Y+Z = 1 (par définition) Pour le soleil, Z = 0.02 Par commodité, on appelle aussi «métallicité» Metallicite = Fe /H [H][Fe] sol [ ] = log [Fe][H] sol 16

17 Métallicité et exoplanètes Après correction des biais : métallicité plus élevée pour les étoiles à planètes Observation compatible avec un modèle par accrétion de planétésimaux et formation de planètes géantes Conséquences sur la formation des planètes telluriques? 17

18 Exo-planétologie : Stratégie «pas à pas» apple Recherche de planètes géantes ( ) : Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol) apple Recherche de planètes telluriques ( ): - Microlentillage gravitationnel - Transits depuis l espace (COROT, Kepler) 18

19 Observation des transits Concerne uniquement les systèmes observés par la tranche, pour lesquels les planètes peuvent occulter partiellement leur étoile centrale. Venus : 8 juin 2004 Mercure : 7 mai

20 Observation des transits (2) 20

21 Le cas HD209458b Charbonneau et al., 2000 Brown et al.,

22 Observation des transits : intensité de l extinction = - ΔF F = F étoileavant transit F étoiledurant transit F étoileavant transit = Surf planète Surf étoile = R p R * 2 Objet ΔF/F Jupiter ~10-2 Terre ~10-4 L intensité de l extinction donne le diamètre de la planète Nécessité d une photométrie précise pour les planètes telluriques : Photomètre spatial 22

23 Observation des transits : durée du transit D T = P π.r * a Objet Durée jupiter chaud ~ 3 heures Terre ~ 14 heures Jupiter ~ 30 heures Observation en continu avec échantillonnage temporel de quelques minutes sur la période de révolution 23

24 Observation des transits : probabilité de voir le phénomène On suppose les orientations équiprobables proba = R * a Objet Probabilité jupiter chaud ~ 10 % Terre ~ 0.5 % Jupiter ~ 0.1 % Probabilité «correcte» pour les objets chauds, plus faible pour les objets lointains Nécessité d observer simultanément beaucoup d objets 24

25 COROT Jean-Baptiste Camille COROT ( ) COnvection ROtation Transits 25

26 COROT en bref «Petite» mission CNES (MO) + Belgique + Allemagne + Autriche + Espagne + Brésil + ESA 3 ème mission PROTEUS (minisat) Double programme : astérosismologie ET recherche de planètes extrasolaires Lancement 27 décembre 2006 : Soyouz Starsem 2b depuis Baïkonour Orbite polaire circulaire à 896 km d altitude Durée nominale : 2.5 ans 26

27 Le cœur des étoiles Très probablement différent de celui du Soleil selon la masse, l âge, la composition chimique. Structure interne gouvernée (entre autres) par le problème du transport de l énergie Géante Soleil Grande masse 27

28 Des vibrations propres globales Des ondes observées en surface Amplitude grossie un million de fois!!! 28

29 Des vibrations propres globales mais des ondes qui se propagent du centre à la surface 29

30 Astérosismologie α cen (Obs de Genève) 30

31 L instrument COROT (1) 31

32 L instrument COROT (2) 32

33 Le satellite COROT Alcatel Alenia Space / JL Bazile

34 La mission COROT 34

35 De la photométrie au transit Transit : ΔF/F achromatique activité stellaire photométrie chromatique 35

36 COROT : Bi-prisme Objectif dioptrique Biprisme Sismo CCD Exo CCD 36

37 Images stellaires Images sismo blanches images exo dispersées 37

38 Photométrie chromatique + + Bleu Vert Rouge 38

39 Construction des fenêtres 1 CCD = 6000 étoiles 1 champ = étoiles 256 masques génériques/ccd courbes de lumière en 3 couleurs 1 courbe = 5 mois 1 point /512 s points / courbe 39

40 Recherche des transits dans les courbes de lumière 5 rayons terrestres 2 rayons terrestres 40

41 Recherche des transits dans les courbes de lumière difficultés et faux positifs (binaires à éclipse) -Données réelles affectées d effets instrumentaux -Présence de contaminants -Faux positifs : binaires à éclipse -Discrimination chromatique -Discrimination morphologique + Observations complémentaires (vitesses radiales, photométrie ) 41

42 Comment va COROT? (sismo) 42

43 Comment va COROT? (exo) 43

44 Et ensuite? 44

45 KEPLER (NASA) Télescope de 80 cm 3 ans sur le même champ étoiles 45

46 Exo-planétologie : Stratégie «pas à pas» apple Recherche de planètes géantes ( ) : Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol) apple Recherche de planètes telluriques ( ): Transits depuis l espace (COROT, Eddington, Kepler) Detections indirectes apple Recherche de planètes habitables (2015) : apple Recherche de planètes habitées (2015) : Detections directes 46

47 Détection directe d une planète extrasolaire tellurique Problème # ~ 0.1 arcsec Problème #2 47

48 La mission Darwin/TPF apple Initiée en Europe en 1993 apple Collaboration ESA/NASA? apple Détection + spectroscopie de planètes telluriques autour des étoiles proches vers

49 «produits» scientifiques de Darwin «Imagerie» Analyse spectrale (D après Mennesson et Mariotti 1997) 49

50 Imagerie directe? 64 x 64 -> 3200 px Res = 10-7 arcsec -> 1800 km ; surf =20000 m 2 (10 tel de φ 50 m) Temps de mesure ~ 15 min - 45 min 50

51 A suivre 51