20100120 phm Observatoire Lyon 2010 Exoplantes stage DAFOP

2010/01/20 phm – Observatoire Lyon - 2010 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm

} Depuis que l’héliocentrisme a écarté la Terre du centre du monde, et mis les étoiles au rang d’autres soleils, l’idée de mondes habités extraterrestres hante l’esprit humain. } La physique nous a montré que les étoiles sont absolument impropres à la vie, à cause des températures très élevées. On n’y trouve quelques molécules simples sur les étoiles plus froides. } Les dernières décennies ont apporté des contributions fondamentales à la formation des étoiles et ce qui se passe dans leur entourage. } C’est bien là qu’il va falloir cher pour trouver d’autres planètes avant d’échafauder des conjonctures hasardeuses sur leur peuplement. } Parlons donc des planètes autres que celles connues du système solaire : les exoplanètes (du grec exô en dehors). } S’il reste du temps il y aura un exo sur les exoplanètes. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 2

Les planètes Mercure Vénus Terre Définition Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune (référence I. A. U. ) Une planète est un corps céleste a) est en orbite autour du Soleil, b) a une masse suffisante pour que sa gravité l'emporte sur les forces de cohésion du corps solide et le maintienne en équilibre hydrostatique, sous une forme presque sphérique, c) a éliminé tout corps susceptible de se déplacer sur une orbite proche 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 3

Les planètes Mercure Vénus Terre Définition Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune (référence I. A. U. ) Une "planète naine" est un corps céleste a) est en orbite autour du Soleil, b) a une masse suffisante pour que sa gravité l'emporte sur les forces de cohésion du corps solide et le maintienne en équilibre hydrostatique, sous une forme presque sphérique, c) n'a pas éliminé tout corps susceptible de se déplacer sur une orbite proche, d) n'est pas un satellite. Tous les autres objets en orbite autour du Soleil, à l'exception des satellites, sont appelés "petits corps du système solaire" 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 4

Les planètes Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune Histoire raccourcie de la formation des planètes du système solaire. 1 - formation d'agrégats de grains de poussière, grossissant peu à peu. 2 - A partir d'une certaine masse, la gravitation établit une équilibre hydrostatique qui donne une forme sphérique aux gros corps célestes. 3 - les multiples chocs - font grossir le corps - changent orbites excentriques en orbites quasi circulaires 4 - le corps est à son minimum d'énergie (par la gravitation) 5 - il aura absorbé la plupart des petits corps de son environnement 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 5

Classification et terminologie planètes telluriques planètes rocheuses, denses, à surface solide planètes gazeuses planètes composées principalement d'hydrogène Jupiter, Saturne, Uranus, (étoiles manquées, masse non suffisante pour Neptune déclencher des réactions nucléaires) planètes géantes planètes de grande taille (diamètre > 40000 km); Jupiter, Saturne, Uranus, ce sont les planètes gazeuses Neptune petites planètes autre façon de désigner les astéroïdes planètes intérieures planètes se trouvant entre la ceinture principale d'astéroïdes et le Soleil Mercure, Vénus, Terre, Mars planètes extérieures planètes se trouvant au-delà de la ceinture principale d'astéroïdes Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, Pluton planètes inférieures planètes se trouvant entre la Terre et le Soleil Mercure, Vénus planètes supérieures planètes se trouvant au-delà de la Terre Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, Pluton planètes anciennes planètes observables à l'œil nu depuis l'antiquité Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm Mercure, Vénus, Terre, Mars 6

Les planètes Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Planètes telluriques Saturne Planètes gazeuses Planètes 2010/01/20 Uranus Neptune Soleil Diamètre de 4878 km à 142796 km Distance au Soleil de 0. 39 u. a. à 30. 1 u. a. 1390000 km Masse de 0. 055 m. T à 318 m. T 333000 m. Terre Densité Période rotation de 5. 44 à 0. 69 de 88 j à 165 ans 1. 4 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 7

Exoplanètes Le Soleil est entourées d'un cortège planétaire Le soleil est une étoile comme les autres Les autres étoiles ont-elles des « exoplanètes » ? Le nom « planète » étant réservé au corps du système solaire. Autre question : une forme de vie peut-elle se développer sur certaines de ces "exoplanètes". 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 8

Exoplanètes Distinction étoile-planète : • l’étoile a une source d’énergie interne durable sur des milliards d’années avec les réactions nucléaires. • la planète n’en a pas Réactions nucléaires : masse > 13 masses de Jupiter. Limite étoile-planète. Autre différence entre étoile et planète : formation. • étoile : effondrement d'un nuage de gaz • planète : condensation de "poussières" et de glace dans un disque ("protoplantétaire") de matériaux divers en orbite autour d'une étoile. Une exoplanète est un corps de masse maximum environ 13 masses de Jupiter en orbite autour d'une étoile. Planètes flottantes Si par effondrement d'un nuage de gaz et de poussières le corps n'atteint pas la masse limite de 13 jupiters on a une planète flottante. Elle n’orbite pas autour d’une étoile. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 9

Quelquestions sur les exoplanètes Combien de planètes par système planétaire? Comment sont distribuées les orbites et les masses des planètes? Corrélations ? • avec le type de l'étoile "parente", • à sa position dans la Galaxie • etc Première recherche : les détecter 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 10

Comment les voir… Faire une image ? Rapport d’éclairement Soleil / planètes ? Ephémérides : magnitudes et distances Objets placés à 1 u. a. Soleil : -26. 8 à 1 u. a. 2010/01/20 Planète md dist -5 log d Mercure -0. 68 0. 4 Vénus -4. 11 ms - m 1 Rapport 2. 00 -1. 32 -25. 48 1. 56 1010 0. 7 0. 80 -3. 31 -23. 49 2. 50 1009 0 1. 5 -0. 90 -25. 90 2. 30 1010 Jupiter -2. 21 5 -3. 49 -5. 70 -21. 10 2. 75 1009 Saturne 1. 12 10 -5. 00 -3. 88 -22. 92 1. 47 1009 Uranus 5. 94 21 -6. 61 -0. 67 -26. 13 2. 83 1010 Neptune 7. 91 30 -7. 39 0. 52 -27. 32 8. 47 1010 Mars Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm m 1 11

Comment les voir… Faire une image ? Magnitude de la planète ? Jupiter la plus brillante à 1 u. a. : -3. 5 Magnitude à la distance de l’étoile la plus proche (1. 30 pc) ? 1 pc = 206265 u. a. md = 23. 6 Ceci est visible, si la planète est seule ! Jupiter seule, pratiquement invisible car froide et non éclairée. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 12

Comment les voir… Faire une image ? Rapport d’éclairement 1/10000. Eblouissement. Méthode directe très difficile. Avant de les voir, on va les détecter. Détection Méthodes Dynamiques Techniques Vision directe Vitesses radiales Flux réfléchi - Flux thermique Astrométrie Coronographie Transits planétaires Lentilles gravitationnelles Détection décamétrique Photométriques 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 13

Méthodes dynamiques L’orbite d’une planète Lois de Kepler : orbite d'une planète est une ellipse un des foyers est occupé par l'étoile parente Paramètres de l’orbite : • a demi grand-axe • e l'excentricité • i inclinaison de l'orbite, angle entre le plan de l'orbite et le plan du ciel NN’ ligne des nœuds de l’orbite (intersection plan de l’orbite perpendiculaire à la ligne de visée) • w angle du périgée par rapport au nœud ascendant • W angle du nœud ascendant 90°-i est l'angle entre le plan de l'orbite et la "ligne de visée". 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 14

Méthodes dynamiques L’orbite d’une planète Première loi : ellipse Deuxième loi : loi des aires Troisième loi : relation période - axe Masse planète négligée Système solaire (unités : années, u. a. ) Mouvement autour du centre de gravité 2010/01/20 Exemple Géogébra Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 15

Vitesses radiales La vitesse radiale VR est la projection du vecteur vitesse de l'étoile sur la "ligne de visée" qui joint l'étoile à l'observateur. Par effet Doppler Fizeau, une raie du spectre de l’étoile va subir un décalage proportionnel à sa vitesse radiale. l longueur d’onde de la raie observée l 0 longueur d’onde de la raie observée en laboratoire c vitesse de la lumière L’observation donne la période. L’intégration de la vitesse par le temps donne le chemin parcouru. Donc la dimension de l’orbite. Application Géogébra 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 16

Astrométrie Mesure du déplacement, sur le fond du ciel les variations de la position apparente de l'étoile (par rapport aux autres étoiles lointaines) : Pour une étoile et une seule planète, ce mouvement apparent est une ellipse. L’aplatissement est fonction de l’angle i et de l’excentricité de l’orbite Mouvement apparent du Soleil vu à 10 pc sous les perturbations de Jupiter et Saturne 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 17

Chronométrage Mesure de la variation de distance entre l'étoile et l'observateur. Comment ? mesurer la variation de temps que met la lumière à nous parvenir de l'étoile. On mesure la variation d’un signal périodique. Le signal sera en avance ou en retard si l’objet s’approche ou s’éloigne. Objets : Arrivées des "pulses" d'un pulsar. Instant de minimum d'une éclipse dans le cas où l'étoile est une binaire à éclipses Histoire : c’est sur ce principe que Roëmer réussit en 1676 à faire la première mesure de la vitesse de la lumière. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 18

Chronométrage Histoire : c’est sur ce principe que Roëmer réussit en 1676 à faire la première mesure de la vitesse de la lumière. Roëmer 1644 -1710 Phénomène observé : décalage périodique dans les prévisions des éclipses des satellites de Jupiter. Vitesse calculée : 210 000 km/s 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm JDSC 1676, p. 233 -236 19 MARS T. 10, p. 575 -577

Transits planétaires Lorsqu'une planète passe devant son étoile, elle occulte une très faible partie de sa surface ce qui produit une très faible diminution de son éclat. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 20

Lentilles gravitationnelles Une étoile très lointaine passe exactement derrière une autre étoile autour de laquelle orbite une planète. L'étoile proche focalise la lumière de l'étoile lointaine ce qui crée une augmentation de la luminosité. La planète focalise aussi la lumière de l'étoile lointaine, ce qui crée les deux pics de luminosité visibles avant le maximum. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 21

Lentilles gravitationnelles Application de la théorie d'Einstein de la gravitation : lorsqu'un corps de masse M (déflecteur) est à une distance projetée sur le ciel b ("paramètre d'impact") de la ligne de visée d'une source lointaine, l'éclat apparent de cette dernière est amplifiée par un facteur. Lorsque la source et le déflecteur se déplacent l'un par rapport à l'autre sur le plan du ciel, le paramètre d'impact b varie au cours du temps. Il en est donc de même du facteur d'amplification qui devient une fonction du temps A(t). 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 22

Détection décamétrique Dans le système solaire, des planètes comme Jupiter émettent davantage que le Soleil dans le domaine des ondes radio décamétriques. (corps noir) Radiotélescope de Kharkov Si des exoplanètes ont la même propriété, on peut essayer de les détecter dans le domaine décamétrique à l'aide de radiotélescopes. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 23

Imagerie directe La détection directe consiste à prendre une image globale (ou partielle) du système planétaire, où la planète apparaît comme un point. C'est de loin la méthode la plus riche et la plus prometteuse. Elle permet en effet d'avoir accès à de nombreuses propriétés des planètes. La jeune étoile GQ Lupi et son faible compagnon planétaire. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 24

Flux réfléchi - Flux thermique Il y a deux régimes différents par lesquels ont peut recevoir la lumière émanant d'une planète: • la lumière de l'étoile réfléchie par la planète • l'émission thermique de la planète chauffée par l'étoile 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 25

Coronographie Cette technique consiste, de façon simplifiée, à cacher l'étoile par une pastille (masque coronographique) dans le plan de l'image (sans cacher la planète). Détection de deux compagnons faibles de l'étoile HIP 6856. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 26

Extinction interférométrique On peut aussi amoindrir le flux d'une étoile dans un interféromètre constitué d'au moins 2 miroirs. On fait interférer "négativement" le flux stellaire passant l'un des miroirs avec celui passant par un autre miroir. Cette interférence destructive éteint l'étoile. On peut arranger la configuration de l'interféromètre pour que le flux issu de la planète ne soit pas éteint. En effet, comme les rayons lumineux issus de la planète viennent d'une direction légèrement différente de celle de l'étoile, le chemin parcouru par ces rayons n'est pas le même. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 27

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Découvertes Les premières planètes 1990 annoncées en 1992 pulsar PSR B 1257+12 ? En 1995 découverte de planètes autour de 51 Pegasi à l’OHP par Vitesse radiales La majorité des planètes détectées pour l'instant sont des géantes gazeuses ayant une orbite très excentrique. En 2005, premières images directes de planètes extrasolaires. autour de la naine brune GPCC-2 M 1207 autour l’étoile GQ Lupi (naine brune ? ). 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 29

Évolution du nombre d'exoplanètes découvertes chaque année méthode de détection Vitesses radiales Transit astronomique Timing Astrométrique Imagerie directe Microlentilles gravitationnelles Émission radio du pulsar 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 30

Images de planètes obtenues au VLT 2 M 1207 b (5 MJ, 46 UA) Gl 86 b (17 MJ, 100 UA) β Pictoris b (8 MJ, 8 UA) MJ : masse de Jupiter UA : unité astronomique (150 000 km) 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 31

Liste des exoplanètes http: //media 4. obspm. fr/exoplanetes/base/ Mise à jour 13 janvier 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 32

Conclusions provisoires I - Proportion d'étoiles ayant au moins une planète Au moins 5% révèlent la présence d'un compagnon planétaire. Cette proportion va augmenter. Les observations seront capables de détecter • des planètes moins massives • des planètes plus éloignées de leur étoile. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 33

Conclusions provisoires II - Distances planète-étoile Toutes les planètes (géantes, les seules que l'on sache détecter) découvertes à ce jour sont beaucoup plus près (jusqu'à 100 fois) de leur étoile que ne l'est Jupiter du Soleil. Cela a constitué une grande surprise La théorie prévoit qu'une planète géante doit se former à au moins 5 UA. Explication ? Phénomène de "migration" : La planète commence à se former relativement loin de son étoile Interaction gravitationnelle entre le disque et la planète en formation Effet de freinage. La planète se rapproche de son étoile (migration) jusqu'à ce que l'interaction s'arrête. Planètes étant très proches de leur étoile, température élevée (jusqu'à 1200 K). On les appelle des "Jupiters chauds". 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 34

Conclusions provisoires III - Excentricité des orbites Autre surprise : la majorité des orbites planétaires sont assez ou très excentriques Orbites forment des ellipses plus ou moins allongées au lieu d'être quasi circulaires comme dans le système solaire. Explications ? ? ? Si deux planètes migrent, elles le font à des vitesses différentes. Elles vont se rencontrer. Au cours de la rencontre l'une d'elles expulse l'autre du système planétaire. Les lois de la mécanique céleste font alors que celle qui reste a forcément une orbite elliptique. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 35

Conclusions provisoires IV - Métallicité de l'étoile parente Dernière observation intéressante : Une ou des planètes sont plus riches en éléments lourds (carbone, oxygène, fer. . . ) que la moyenne des étoiles. Explication hésitante à donner à cette corrélation ! L'étoile et son cortège planétaire sont issus • soit d'un nuage moléculaire riche en éléments lourds • soit au fait que l'étoile a été enrichie en éléments lourds par la chute de planètes. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 36

La recherche de l’animé Que veut-on et peut-on cher ? Les objets auxquels on attribue une caractéristique animée, une relation vivante ont une architecture physico-chimique complexe (molécules, cellules, organes. . . ) On va recher des objets • avec une architecture physico-chimique est complexe • présente des caractéristiques analogues à celles des organismes terriens Quelles sont caractéristiques retenir ? 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 37

La notion de zone habitable Quel type de planète on peut s'attendre à rencontrer une vie biologique ? un milieu liquide car il favorise énormément le transport des matériaux nécessaires à une activité biochimique L'eau : abondante de l'Univers avantage : un des meilleurs solvants ce qui favorise les réactions et échanges biochimiques. Autres corps : alcool; le méthane et l'ammoniaque (permet des températures beaucoup plus basses) Il faut une source d’énergie La meilleure source d'énergie permanente, abondante et de basse entropie connue à ce jour est le rayonnement des étoiles. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 38

Conditions une planète située à une distance de son étoile telle que sa T ~ 300 K. suffisamment massive pour empêcher l'eau de s'échapper de la planète. pas trop massive, sinon • eau est confinée dans des couches profondes et sans lumière • atmosphère d'hydrogène. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 39

Conditions Caractéristiques de la planète : masse de une à quelques masses terrestres distance de 0, 2 UA (pour les étoiles de type M) à 1, 5 UA (pour les étoiles de type F) de son étoile Distance critique dépendant du type d'étoile : zone d'habitabilité de l'étoile 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 40

Comment cher | analyse de "signaux" radio ou optiques: programmes "SETI" (Search for Extra. Terrestrial Intelligence) | analyse polarimétrique des exoplanètes. Cette voie n'est pour l'instant pas explorée | analyse spectrale des exoplanètes C'est l'approche la plus élaborée. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 41

Comment cher Végétation détecter directement des organismes sur la surface de la planète par leurs propriétés spectrales Exemple : Recher des caractéristiques spectrales analogue à la végétation • pouvoir réflecteur très renforcé au-dessus de 725 nm • les plantes émettent 60 fois plus de lumière dans l'infrarouge que dans le vert Oxygène-ozone • détecter des sous-produits non biologiques d'une activité biochimique • gaz rejetés dans l'atmosphère : - oxygène (sous-produit de la photosynthèse) - méthane (sous-produit de la décomposition des organismes). - ozone : sous-produit de l’oxygène 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 42

Les observations Imagerie directe avec la spectrographie C'est de loin le domaine le plus prometteur. Atmosphère (densité, composition. . . ) Surface (couleur, morphologie des océans/continents. . . ) Rotation de la planète (durée du "jour") Satellites, anneaux. L'observation spectrale montre la présence des biomarqueurs O 3 et H 2 O sur Terre contrairement à Vénus et Mars. 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 43

Projets Vitesses radiales Nombreux projets http: //media 4. obspm. fr/exoplanetes/pages_projets/vitesse-radiale. html Elodie : collaboration franco-suisse Observatoire de Haute Provence (télescope de 193 cm C'est l'extension du programme qui a découvert la première exoplanète http: //www. obs-hp. fr/www/nouvelles/elodie. html 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 44

Projets GAIA • Recensement complet du voisinage solaire • Observer de façon répétée, sans biais de sélection, tous les objets plus brillants que la magnitude 20 • Mesurer leur position, leur vitesse dans le plan du ciel et leur couleur. • Il pourra détecter des planètes terrestres à proximité du Soleil. • Mission européenne lancée en 2011 http: //wwwhip. obspm. fr/gaia/ GAIA cartographiant la Galaxie (vue d'artiste) 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 45

Projets Télescope Kepler Observation des champs d'étoiles (100000) Très grande précision photométrique. Détecter des de transits de planètes dont des planètes de type terrestre. Lancé le 14 mai 2009. Août 2009, la NASA annonce que Kepler a transmis des images de l'exoplanète HAT-P-7 b[4]. Le lundi 4 janvier 2010, découverte de ses 5 premières exo-planètes, Kepler-4 à 8 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 46

Mission spatiale DARWIN Prévue d'être lancée en 2015 Découvrir des planètes comparables à la Terre Analyser leurs atmosphères Recherche, dans l'atmosphère la présence d'ozone (O 3). Déceler éventuellement la signature chimique de la vie. Darwin : flottille de huit véhicules spatiaux Le projet de mission DARWIN de l'ESA. Six avec des télescopes d'au moins 1, 5 m Le septième combinera la lumière provenant des six premiers Le huitième communiquera avec la Terre et le reste de la flottille. http: //www. esa. int/esa. SC/120382_index_0_m. html 2010/01/20 Exoplanètes - stage DAFOP janvier 2010 - phm 47