EXOPLANETES. Benoît MOSSER Observatoire de Paris.

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1 EXOPLANETES Benoît MOSSER Observatoire de Paris Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005

2 Plan Planètes Historique Méthodes de détection, performances et biais Le point sur les objets découverts : - propriétés statistiques - questions d actualité Projets Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005

3 Planètes Notre système solaire Il y a une infinité de mondes, semblables ou non au nôtre (Epicure) Il ne peut pas y avoir plus d un monde (Aristote)

4 Planètes Nomenclature Masse Composition Orbite Histoire Telluriques kg Roches e=0 i=0 Agglomération de planétésimaux Géantes kg H, He / glaces e=0 i=0 Idem et/ou effondrement Astéroïdes Roches Résonance Résidus Objets de Kuiper Glaces Résonance Résidus Ex = Pluton Comètes Glaces Répartition uniforme (e, a, i) Objets primitifs Notre système solaire est-il plutôt standard ou particulier? Planète ~ objet massif, de masse < 13 M_Jupiter, en orbite autour d une étoile hôte

5 Historique Pluralité des mondes? Il y a une infinité de mondes, semblables ou non au nôtre (Epicure) Il ne peut pas y avoir plus d un monde (Aristote) «Les étoiles fixes sont autant de Soleils, notre Soleil est le centre d'un tourbillon qui tourne autour de lui ; pourquoi chaque étoile fixe ne sera-t-elle pas aussi le centre d'un tourbillon qui aura un mouvement autour d'elle?» (Fontenelle) 1011 galaxies 1011 étoiles par galaxie Probablement de nombreux systèmes planétaires

6 Historique Découvertes! XXe siècle : recherches infructeuses ou ambigues de systèmes planétaires 1992 : identification, par Wolszczan & Frail, de 3 planètes autour du pulsar PSR , par chronométrage 1995 : découverte de la première planète extrasolaire autour d'une étoile semblable à notre Soleil, par Michel Mayor et Didier Queloz (Observatoire de Genève), à l'observatoire de HauteProvence, et confirmation par Geoff Marcy et Paul Butler (Observatoire Lick, Californie). Planète géante autour d une étoile de type solaire versus planète tellurique autour d un pulsar? La découverte de 51PegB est retenue comme date clef

7 Méthodes de détection ; biais Voir directement une exoplanète est très difficile! Détecter une exoplanète revient à détecter comment son étoile est perturbée par sa présence Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005

8 Projets Détection directe Distance étoile-planète : typiquement 0.1 à 10 pc Rayonnement planétaire ~ contributions de 2 corps noirs : spectre stellaire réfléchi et spectre thermique Contraste - visible ~ infrarouge ~10-5 Contraste important des flux + faible séparation angulaire détection directe d une planète très difficile

9 Observations Méthodes de détection La méthode actuellement la plus opérationnelle est la recherche par vitesse radiale

10 Observations Vitesses radiales Spectrométrie Doppler Observables = - vitesse radiale maximale V// - période T Hypothèse : la masse M de l étoile est déterminée indépendamment détermination de la masse de la planète : Mesure du mouvement de l étoile autour du barycentre du système La masse de la planète n est mesurée qu au facteur sin i près (angle entre la ligne de visée et l axe de rotation planétaire) La méthode à l heure actuelle la plus prolifique

11 Observations Performances : Doppler Mesure de vitesse radiale : Les objets massifs ou proches de leur étoile sont privilégiés La détection de longue période prend, de toutes façons, du temps

12 Observations Transits Photométrie Observables = - Baisse relative du flux - Période Φ/Φ = (Rp/R*)2 Probabilité de transit p = Rp/a (p ~ 10 4 pour Jupiter ou pour la Terre) Occultation périodique du signal (1ère détection + confirmations) Estimation du rayon planétaire Le signal est facilement détectable en pratique, mais très improbable

13 Observations Performances : transits Méthode sensible, mais phénomène très rare La faible probabilité de détection nécessite un programme de surveillance à très grande échelle

14 Observations Astrométrie Astrométrie Observables : - position et mouvement de l étoile α = m/m a/d Simulation du mouvement du Soleil vu à 10 pc (31 années de lumière)

15 Observations Performances : astrométrie Méthode pas encore assez performante, mais opérationnelle dans un futur proche (projet Gaia de l ESA)

16 Observations Effet de lentille Photométrie Observables = double augmentation du flux de l objet occulté, dont contribution planétaire Détection unique, nécessite un suivi des candidats pour confirmation Résultat annexe issu du programme OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) 5 planètes détectées à ce jour

17 Observations Performances Les diverses méthodes sont complémentaires La détection d un objet tel la Terre reste très difficile, et nécessite un programme exhaustif d études de transits

18 Propriétés statistiques Début mai 2005 : environ 155 exoplanètes connues (msini mesuré), de masse inférieure à 13 M_Jupiter 14 systèmes planétaires identifiés ~7 % des étoiles de type solaire avec exoplanètes identifiées Essentiel des mesures = détection Doppler Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005

19 Exoplanètes Demi-grand axe Un très grand nombre d objets très proches de leur étoile (Jupiters chauds)

20 Exoplanètes Périodes La distribution des demi-grands axes et des périodes est biaisée par - la méthode de détection - la durée des programmes d observation

21 Exoplanètes Masses La distribution des masses détectées est biaisée par la méthode de détection

22 Exoplanètes Excentricités Circularisation des orbites à courte période Nombre élevé d objets avec une excentricité élevée, alors que le processus de formation conduit à la circularisation des orbites

23 «Jupiters chauds» et autres questions Comment comprendre ces nouveaux objets appelés Jupiters chauds? Comment comprendre ces objets en regard de notre système solaire? Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005

24 Objets Les Jupiters chauds Important effort de modélisation Peu d observables pour contraindre les modèles des Jupiters chauds Rotation propre synchronisée Fort contraste de température entre les 2 hémisphères L évaporation reste faible dans la plupart des cas

25 Objets Systèmes planétaires Statistique encore faible Rien d analogue au système solaire

26 Objets Disques protoplanétaires Important effort de modélisation : - autogravitation du disque protoplanétaire - turbulence - rôle du champ magnétique - couplages Observables : disques protoplanétaire Interaction entre la planète et le disque qui l a formée Migration des planètes vers l étoile Jupiters chauds Où, comment les planète se forment-elles? Comment migrent-elles? Comment arrêtent-elles leur migration?

27 Objets Planètes et métallicité Nette corrélation entre la détection de planètes et la métallicité stellaire Privilégie le mode de formation des planètes par nucléation

28 Objets Zone habitable Conditions : - orbite stable - ni trop proche, ni trop éloignée de l étoile Thème très porteur!

29 Projets et techniques Comment voir une exoplanète / comment éteindre son étoile But ultime : une planète présentant une signature de type biologique! Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005

30 Programme en cours HARPS HARPS (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher) ; ESO/Chili, télescope de 3.6 m Spectromètre échelle à double dispersion R = nm Design optique et mécanique : stabilité et luminosité Le meilleur instrument actuellement disponible (en service depuis 2 ans) Mesures précises à 1 m/s près

31 Techniques Coronographie Extinction de l étoile par coronographie Première étape pour éteindre l étoile et s affranchir de son bruit de photons, mais - La région éteinte est trop étendue - Le contraste n est pas assez grand

32 Techniques Annulation du signal stellaire Interférométrie : - l étoile est positionnée sur une frange sombre - l environnement de l étoile sur une frange claire Difficultés pratiques : - précision du positionnement ; chromaticité

33 Techniques Frange centrale noire Lame à quatre quadrants Frange centrale noire Problème pratique : centrage et stabilité de positionnement Achromaticité nécessité de recourir à des solutions technologiques innovantes

34 Techniques Résultats en laboratoire Des perspectives prometteuses mais ne nombreuses difficultés techniques subsistent : imperfections du guidage, imperfections du train optique

35 Techniques Extinction achromatiqe Achromaticité : obtenue par le déphasage de par passage à un foyer

36 Projets COROT Petite mission du CNES / projet européen ; lancement mi-2006 Photométrie et détection de transits Détection chromatique Observation de étoiles jusqu à la magnitude 15.5 Résultats attendus : découvertes de nombreuses grosses Terres (~ 20 événements)

37 Projets Kepler Projet NASA, pour un lancement fin 2007 Photométrie et détection de transits Programme identique à celui de Corot, mais avec un plus gros collecteur, et une couverture totale du ciel 1014 étoiles jusqu à la magnitude 14 Détection probable de planètes semblables à la Terre

38 Projets Darwin Projet de l Agence Spatiale Européenne ; lancement possible ~ 2015 Vol en formation au point de Lagrange L2 Interférométrie imagerie infrarouge + spectrométrie infrarouge Pour la recherche de planètes habitables, présentant des marqueurs d activité biologique De nombreux points durs restent à résoudre

39 En guise de conclusion La recherche et la physique des exoplanètes un sujet de pointe en astrophysique actuellement un sujet qui touche le grand public Vues actuelles : très biaisée par les possibilités observationnelles Formation, migration des exoplanètes : plus de questions que de réponses Prochaines étapes observationnelles : programme de recherche par la méthode des vitesses radiales sur un très grand échantillon d étoiles : transits à long terme : astrométrie et interférométrie Voir une planète va demander beaucoup de temps ou de chance Journées X-ENS-UPS physique, 13 mai 2005