OBJECTIF TERRE Pascal Fouqué Toulouse 2/11/2010
Planètes du système solaire 8 planètes + 5 planètes naines: Pluton, Cérès, Eris, Makemake, Haumea
Système Solaire a P Masse (UA) (M T ) Sol G2V 5780 K 3.3 10 5 1 UA ~ 215 R sol Mercure 0.39 88 j 0.055 Venus 0.72 225 j 0.815 Terre 1.0 365 j 1 Mars 1.52 687 j 0.107 Jupiter 5.2 11.9 a 318 (10-3 M sol ) Saturne 9.6 29.4 a 95 Uranus 19. 84 a 14.5 Neptune 30. 165 a 17.2
Les planètes sont des objets communs, qui se forment naturellement avec les étoiles
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
Disques Protostellaires
Exoplanètes: que veut on savoir? Rares ou fréquentes? Autour de tous les types d étoiles? Composition: rocheuses/gazeuses? Sur quelles trajectoires? Composition - La vie?
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 0 370 planètes 47 systèmes 100 planètes 11 planètes 1 système 10 planètes 3 systèmes
Historique 1992 Premières planètes autour de pulsars! 1995 Jupiters chauds par vitesse radiale. 1996- Zoo des planètes gazeuses 1999 Systèmes multiples 2000-2002 Premiers transits. 2004 Détection directe, Neptunes 2005 Planètes telluriques 2007 300 K?
Détection directe Difficile Proximité étoile-planète Contraste défavorable (10 6 10 9 ) 10 9 10 6 Infrarouge meilleur Masses mal determinées Planète ou naine brune? Liée ou non liée? 3000K 300K
Optique adaptative coronographie image finale
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 sol @ 140 pc b: 22 (1-42) M J @100 UA
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
Spectre Echelle Coralie 1998 68 ordres 380-690 nm R~ 50 000
1992 : PSR B1257 + 12 Wolszczan & Freil Arecibo 305m R.T. 1990-1992 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
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
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 = 0.052 UA Prototype des Jupiters Chauds Planète impossible! Formation? Biais d observation? Lynette Cook
Planètes extra-solaires: résultats 1992-2010: 495 planètes (~7% des étoiles observées) On attendait Jupiters Orbites circulaires Périodes de ~10 ans (5 UA) On trouve J 0.006 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
Upsilon Andromedae, 3 planètes! Ups And b Ups And c Ups And d 1999
µ Aræ : 1 ère planète similaire à Neptune 2004: 4 planètes connues: 0.6 M nep, 0.5, 1.7, 1.8 M jup
HD69830: 3 Neptunes et des astéroides! b c d M/M T 10 12 18 A/AU0.08 0.19 0.63 P /j 8.7 32 197 K m s -1 3.52.7 2.2 2006
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 1999-04: 20 planètes dont les 3 de Ups And; Jupiters chauds. 1999-11: Doppler+Transit de HD209458 : 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 0.021 UA (1.94 j) 2006 150 planètes détectées par cette méthode. 2006 HD68830 3 Neptunes ~ 1UA: 10, 12, 18 Terres. 2007 25 systèmes multiples 2007-04 Gliese 581c (HARPS) M2V 5M T 0.073 UA 12 jours T~290K 2007-11 Marcy Butler: 5 ieme planète autour de 55 Cancri
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
55 Cancri: Les 5 planètes Name 55 Cnc b 55 Cnc c 55 Cnc d 55 Cnc e 55 Cnc f année 1996 2002 2002 2004 2007 Période 14.65126 j (± 0.0007) 44.3787 j (± 0.007) 14.7 an (± 230 j) 2.79674 j (±0.0001) 260.7 j (± 1.1) M sin i 0.82 M J (± 0.12) 0.165 M J (± 0.026) 3.84 M J (± 0.58) 0.0235 M J (±0.0049) 0.141 M J (± 0.039) Distance (UA) 0.1138 ± 0.0066 0.238 ±0.014 5.84 ± 0.39 0.0377 ± 0.0022 0.775 ± 0.045 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
Télescope dédié: Euler + Coralie à Elodie + Coralie: 60 planètes
Spectrographe HARPS: ESO 3.6 La Silla R 110000 P 0.01 mb T ±0.01 K K 1 m s-1
HARPS : formule 1 des spectrographes: 50 planètes
Gliese 581 Mesures+modèle périodogrammes
Gliese 581 Etoile M 0.31 M sol 0.013 L sol à 6.3 pc (mag 10.5) Planète b c d e 2005 2007 2007 2009 P (jours) 5.37 12.9 66.8 3.15 K (ms -1 ) 12 3.2 2.6 1.8 M sin(i) M T 16 5.4 7.1 1.9 a (AU) 0.04 0.07 0.22 0.03
Pegase 51 b Prototype des Jupiters Chauds Candidats avantageux Etudes complémentaires Transit Propriétés physiques Etude atmosphère Evaporation Lynette Cook
TRANSITS Transits : flux dimming Δf f ~ 10-2 r p R J 2 R * R sun 2 V.R. + Transit : Rayon Masse Densité HD209458 Nouvelle technique de détection >20 programmes Des 100,000 s d étoiles suivies
Premier exotransit détecté: HD 209458 Mazeh et al 1999 P = 3.5j M sin i = 0.685 M J Sept 1999 Rp = 1.54 R J i = 85.2 deg Charbonneau et al 2000
Amélioration des paramètres: HD 209458 Meilleurs paramètres actuels: M p = 0.685 ± 0.015 M Jup R p =1.32 ± 0.025 R Jup ρ = 0.42 g/cm 3 = 0.61 ρ Sat Charbonneau et al. (2000) HST Brown et al. (2001)
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
XO-1 Un exemple de collaboration amateurs-professionnels 0.9 Mjup, 1.18 Rjup, période 3.94 jours
100 transits planétaires connus Périodes P = 0.79 111 jours Probabilité p t = R star / a = 0.1 Profondeur di/i=(r pl /R * )=0.01 Durée t ~ 3 heures Lynette Cook
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., 170000 étoiles champ: 105 deg. carré précision: ~ 10-5 mag COROT Centaines de nouveaux transits planétaires géants Quelques transits Terre Kepler
Transit + V.R. = densité Profondeur de transit OGLE-113 2.9% TRES-1 2.3% XO-1 2.0% OGLE-111 1.9% OGLE-10 1.9% OGLE-56 1.3 % OGLE-132 1.1 %
CoRoT-1b Mai 2007: 1.0 M J 1.5 R J 1.5 jour Avant maîtrise complète des biais: inc. 2 10-4
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
Détection de l atmosphère des planètes extra-solaires Atmosphère opaque Planète plus grande Transit plus profond
HD209458 b: une planète comète Détection de sodium, hydrogène, carbone, oxygène (Vidal-Madjar et al.) Atmosphère étendue -> Pas seulement évaporation -> blow off -> Queue cométaire
Oct.2007 HD189733b : de l eau!
Observations IR: Transit primaire de HD 189733b Star flux A 3.6, 5.8 and 8 µm, différentes profondeurs de transit 5.8 8 3.6 ~ 0.08%
Transits secondaires
Spectre HD 189733 b
Temperature HD189733b 8µm 1200 K 900 K
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
Exoplanètes (octobre 2010)
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 1257+12b: 1.6 masse lunaire Ensuite: MOA 2007-BLG-192Lb: 3.3 (1.4-8.4) OGLE 2005-BLG-390Lb: 5.5 (2.8-11) PSR 1257+12d: 3.9 (3.7-4.1) HD 156668b, HD 40307b: >4.2 Gliese 581e: >1.9 CoRoT-7b: 4.8 (4.0-5.6) R=1.68 R T
M V T M J Systèmes multiples (mars 2009)
Zone habitable Température augmente vapeur GLACE Zone habitable = présence d eau liquide
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