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A la recherche des exo-planètes… Marc OLLIVIER Institut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay. 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 - PowerPoint PPT Presentation
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A la recherche des exo-planètes…
Marc OLLIVIERInstitut d’Astrophysique Spatiale d’Orsay
2Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
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 (1629-1695) :
“N’hésitons pas, nous, à admettre avec les principaux Philosophesde 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 cellequi correspond aux vues antérieures plus ou moins traditionnelles. Carqu’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 ?”
3Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Un peu d’histoire : 2 : l’ère des observateurs
• 1931 : Berman : m= 45Mj• 1960 : Van de Kamp : étoile de Barnard
• 1985 : Mc Carthy et al. : Van Biesbroeck 8 B
• 1981 : pictoris
• 1992 : Wolszczan : PSR 1257 +12 • 1995 : Walker : rien en dessus de 3 Mj autour de 21 étoiles • 1995 : Mayor et Queloz : 51 Pégase
4Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
51 Pégase
5Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Etoile ou planète ?Physique gouvernée principalement par la masse des objets
- Gravitation- Processus nucléaires
Masse
cycle p-p cycle CNO
1.5-2 M
13 Mjup(0.013 M )
Fusion du deutérium
Naines brunes:rayon M-1/3
Planètes
10 M
Accrétion du gaz
GéantesTelluriques
Planète : impossibilité de fusionner le deutérium
Fusion de l’hydrogène
Etoiles :rayon M
80 MJup (0.08 M)
6Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Comment rechercher et étudier d’autres
planètes ?
Une nouvelle science : l’exoplanétologie
7Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Résoudre l’équation de Drake
• Equation de Drake
1011
• 2 approches- Globale : SETI
-> N "bruyantes" = Ncivil . F "bruyante"- Pas à pas
€
Ncivil = N* . Fpl . Fhabit . Fvie . Fcivil .Tcivil
T*
8Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
L’approche SETI• Conséquences immédiates si réussite• Absence de signification de l’absence de signal
9Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Exo-planétologie : Stratégie « pas à pas »
� Recherche de planètes géantes (1995-2010) : Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol)
10Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Détecter indirectement une exoplanète
Op (mp) G Os (ms) GOp = ms
ms +mpOsOp
L’étoile tourne autour de G
Astrométrie Mesure des vitesses radiales
11Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Astrométrie
€
δθ =a*
D=
mp
m*
.ap
DObjet a*(r§ ) δθ à 5 pc (ms) δθ à 10 pc (ms) δθ à 15 pc (ms)Jupiter 1.07 1.00 0.50 0.33Sturne 0.59 0.55 0.27 0.18Neptune 0.33 0.31 0.15 0.10Urnus 0.18 0.17 0.08 0.06Terre 6.5 10-4 6.0 10-4 3.0 10-4 2.0 10-4
12Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Mesure des vitesses radiales
•Indétermination sur la masse (sin(i))
δVr =2π
T.mp
ms.sin(i).ap ≈ 2π
T⎛ ⎝ ⎜ ⎞
⎠ ⎟
1/ 3
. mp
ms2 / 3 .sin(i)
•Plus sensible à mp élevée
•Plus sensible à T petite
•Excentricité déduite de l’écart à l’harmonicité
•Valable pour mp<< ms
phase orbitale
l’étoile s’éloigne
l’étoile s’approche
Effet Doppler-Fizeau
planète
observateur
13Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Mesure des vitesses radiales
Limite actuelle (HARPS) ~ 1m.s-1
mp(m⊕) p(u.) * (r§ ) T (jours) δVr (m.s-1)J upiter 317,83 5,2 1,07 4332,6 12,5Saturne 95,15 9,54 0,59 10759,2 2,8Uranus 14,54 19,18 0,18 30685,4 0,3Neptune 17,23 30,06 0,33 60189 0,28Terre 1 1 6,5 10-4 365,25 0,0951 Peg B 130 0,05 0,004 4,23 50,2
14Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Des planètes par dizaines25/04/2007
• 212 systèmes planétaires
m(m) a(u.a) p(j)b 10.49 0.O785 8.667c 12.08 0.186 31.56d 18.43 0.63 197.6
• 227 planètes (~215 par VR) • 22 systèmes multiples : ex : HD 69830
Environ 4000 étoiles surveillées : - naines FGKM essentiellement (3000 K < T < 7500 K)- échantillonnage temporel variable- plusieurs équipes avec redondance
15Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Distribution en masses(Etoiles + naines brunes + planètes)
• Distribution bimodale étoiles- planètes
• « Désert » des naines brunes (20 MJup < M < 50 MJup) processus de formation différents pour étoiles et planètesPlanètes
Etoiles
NainesBrunes
• M = 10 Mjup : limite entre les deux processusSantos et al., 2002
16Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Distribution en masse des exoplanètes
Limitée aux planètes géantes (cf. limitations de la méthode)
Distribution piquée vers les faibles masses
17Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Distribution en distance des exoplanètes
•Planètes à très courte distance : les « Jupiters chauds »
18Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Mécanismes de migrations d ’orbites
Nelson et al., 2000
Bryden et Lin
19Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Relation masse - distance
20Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Excentricité des exoplanètes
21Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Metallicité d ’une étoile
• H (X), He (Y), et les métaux (Fe ou Z) : Z : metallicité
Metallicite = Fe/ H[ ] =log [Fe][H] sol
[H][Fe] sol
⎛ ⎝ ⎜ ⎞
⎠ ⎟
• Pour le soleil, Z = 0.02• X+Y+Z = 1 (par définition)
• Par commodité, on appelle aussi « métallicité »
22Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
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 ?
23Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Nature des exoplanètes
24Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Les Planètes-Océans ?
1.00
0.55
e 20 km
TerrePlanète-Océan
de 6 MTerre
1.24
0.69
e 100 km
R / RTerre =
2.00
1.63
0.85
Planète rocheuse
de 6 MTerre
eau liquide (océan)
glace hte pression
roches (silicates)
métaux (Fe + Ni)
Léger et al.2004
25Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Exo-planétologie : Stratégie « pas à pas »
� Recherche de planètes géantes (1995-2010) : Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol)
� Recherche de planètes telluriques (2006-2013): - Microlentillage gravitationnel- Transits depuis l’espace (COROT, Kepler)
26Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Microlentillage gravitationnel
€
=4G Mc2 r
=2Rs
r rM
27Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Microlentillage gravitationnel (2)
Nom : OGLE-05-390L b découverte en 2005 par Beaulieu et al. Masse : 0.018 (± 0.01) MJ (5.8 M )Distance de la planète. (proj.) : 2.6 AUPériode orbitale : 3800 jours€
θE =4G M
c2 .dLS
dL .ds
⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠ ⎟
1/ 2
Si la lentille est multiple …
28Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Observation des transitsConcerne uniquement les systèmes observés
par la tranche, pour lesquels les planètes peuvent
occulter partiellement leur étoile centrale.
Mercure : 7 mai 2003vue par SOHO
Venus : 8 juin 2004
29Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Observation des transits (2)
30Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Le cas HD209458b
Charbonneau et al., 2000
Brown et al., 2001
31Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Observation des transits : intensité de l’extinction
€
ΔFF
=Fétoileavant transit −Fétoiledurant transit
Fétoileavant transit
=Surfplanète
Surfétoile
=Rp
R*
⎛
⎝ ⎜ ⎜
⎞
⎠ ⎟ ⎟
2
L’intensité de l’extinction donne le diamètre de la planèteNécessité d’une photométrie précise pour les planètes telluriques : Photomètre spatial
= -
Objet ΔF/FJupiter ~10-2
Terre ~10-4
32Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Observation des transits : durée du transit
€
DT = Pπ
.R*a
Observation en continu avec échantillonnage temporel de quelques minutes sur la période de révolution
Objet Duréejupiter chaud ~ 3 heuresTerre ~ 14 heuresJupiter ~ 30 heures
33Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Observation des transits : probabilité de voir le phénomène
€
proba =R*a
Probabilité « correcte » pour les objets chauds, plus faible pour les objets lointains Nécessité d’observer simultanément beaucoup d’objets
On suppose les orientations équiprobables
Objet Probabilitéjupiter chaud ~ 10 %Terre ~ 0.5 %Jupiter ~ 0.1 %
34Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
COROTJean-Baptiste Camille COROT
(1796-1875)
COnvectionROtationTransits
35Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
COROT en bref
• « Petite » mission CNES (MO) + Belgique + Allemagne + Autriche + Espagne
+ Brésil+ ESA
• 3ème 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
36Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Le cœur des étoiles
Très probablement différent de celui du Soleilselon la masse, l’âge, la composition chimique….
Soleil
Géante
Grande masse
Structure interne gouvernée(entre autres) par le
problème du transport de l’énergie
37Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Des vibrations “propres” globales
Des “ondes” observées en surface…
QuickTime™ et undécompresseur GIF
sont requis pour visionner cette image.QuickTime™ et un
décompresseur GIFsont requis pour visionner cette image.
Amplitude grossie un million de fois !!!
38Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Des vibrations “propres” globales
… mais des “ondes” qui se propagent du centre à la surface
39Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Astérosismologie
cen (Obs de Genève)
40Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
L’instrument COROT (1)
QuickTime™ et undécompresseur VidÈo MPEG-4
sont requis pour visionner cette image.
41Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
L’instrument COROT (2)
42Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Le satellite COROT
Alcatel Alenia Space / JL Bazile 2006
43Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
La mission COROT
QuickTime™ et undécompresseur codec YUV420
sont requis pour visionner cette image.
44Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
De la photométrie au transit
photométrie chromatique
Transit : ΔF/F achromatique≠ activité stellaire
45Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
COROT : Bi-prisme
Objectif dioptrique
Sismo CCDExo CCD
Biprisme
46Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Images stellaires
Images sismo blanches images exo dispersées
47Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
+
Bleu Vert Rouge
+
Photométrie chromatique
48Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Construction des fenêtres
1 CCD = 6000 étoiles1 champ = 12000 étoiles256 masques génériques/CCD
12000 courbes de lumière en 3 couleurs
1 courbe = 5 mois 1 point /512 s25000 points / courbe
49Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Recherche des transits dans les courbes de lumière
5 rayons terrestres
2 rayons terrestres
50Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Problème des faux positifs Binaire à éclipses rasantes
Transit d’une naine devant une géante
Binaire à éclipses de fond
+ Observations complémentaires (vitesses radiales, photométrie…)
51Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Comment va COROT ?(sismo)
52Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Comment va COROT ?(exo)
53Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Et ensuite ?
54Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
KEPLER - 2008 (NASA)
Télescope de 80 cm
3 ans sur le même champ
100000 étoiles
55Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Méthodes indirectes : résumé
Astrométrie -> planètes géantes
lointaines
Vitesses radiales -> planètes géantes
proches
Transits -> planètes géantes et telluriques proches
56Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Exo-planétologie : Stratégie « pas à pas »
� Recherche de planètes géantes (1995-2010) : Vélocimétrie Doppler, Astrométrie, transits (sol)
� Recherche de planètes telluriques (2006-2013): Transits depuis l’espace (COROT, Eddington, Kepler)
Detections indirectes
� Etude des atmosphères (2015 - 2025) : � Etude de l’habitabilité (2025) :
Detections directes
57Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Première image d’un autre système planétaire
Chauvin et al. 2005
58Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Détection directe d ’une planète extrasolaire tellurique
~ 0.1 arcsec Problème #2
Problème #1 7.10 6
5.10 9
59Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Choix du domaine spectral Visible / proche IR IR Thermique
0.5 - 2 mm 6 - 20 mm
Planet. Flux = 0.3 ph m-2 s-1F*/Fpl = 5.109
Planet. Flux = 10 ph m-2 s-1F*/Fpl = 7.106
60Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Signatures spectrales Vis/ proche IR
H2O
CO2
O3
CH4
0.6 0.52 1
Longueur d’onde (mm)
D ’après Des Marais et al. 2002
Resolution
10, 20, 32, 29, 57
72, 69, 54
5
11, 10, 19, 17, 35, 37
16, 11, 34, 40
5000 10000 15000 20000
O2
61Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Signatures spectrales infrarouges
Selsis, ESA SP 518, 2002
H2OCO2
(50 mbar)CO2
O3
CONO2
NON2O
SO2
CH4
NH3
6 5
CO2
(1 bar)
20 10Longueur d’onde (mm)
Resolution10, 20, 10, 253, 20, 2563, 20, 205030100173, 344, 16, 194, 16, 19, 20, 20
62Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Un problème de résolution
Diamètre ~ 2.4 f/D
63Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Observer dans le Vis/NIR
0 p
p 0
Télescope classique + Cororagraphe à 4 quadrants (Rouan et al.)
Pupille apodisée (Spergel)Pupille carrée (Niesenson)D = 1 5 m
64Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
L’interféromètre de Bracewell (1978)
Recombinaison
T2T1
DD.sinθ
θEtoile
Planète
+p
1 arcsec
=10mm, D=10m, θ=0.1 arcsec
65Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
L ’interféromètre de Bracewell (2)
Carte de transmission chromatique -> signal monochromatique modulé
Système disperseur -> detection multiplexée
66Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
La mission Darwin/TPF
Collaboration ESA/NASA ? Initiée en Europe en 1993
Détection + spectroscopie de planètes telluriques autour des étoiles proches vers 2025
67Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
« produits » scientifiques de Darwin
(D’après Mennesson et Mariotti 1997)
« Imagerie » Analyse spectrale
68Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Le banc de test de l’IAS
69Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Imagerie directe ?
64 x 64 -> 3200 pxRes = 10-7 arcsec -> 1800 km ; surf =20000 m2 (10 tel de 50 m)Temps de mesure ~ 15 min - 45 min
70Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Imagerie directe (2)
1024 x 1024 ->825000 pxRes = 0.6 10-8 arcsec -> 30000 km : surf =5 000 000 m2 (2500 tel de 50 m)Temps de mesure ~ 20 min - 1 h
71Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
A suivre…
72Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Recherche des transits dans les courbes de lumière
-Filtrage fréquentiel (fenêtre de Hanning)-Corrélation avec un peigne, période et phase variables-Détermination des paramètres optimaux-Critères de détection en S/B
73Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Détectivité dans le Vis/procheIR
ComposéH2OCO202
CH4N2O03
Abondance terrestre8000 ppm355 ppm
21 %2 ppm
300 ppb6 ppm
Seuil de détection10 ppm
100 ppmfew %5 ppm
300 ppb1 ppm
Des Marais et al. 2002
Mais résolution spectrale minimale ~ 70 + S/N ~ 25OBLIGATOIRES
Retour
74Journée X-ENS-UPS de Physique - 11 mai 2007 - M.O.
Détectivité dans l ’IR thermique
ComposéH2OCO203
CH4N2ONO2NH3
Abondance terrestre8000 ppm355 ppm6 ppm2 ppm
300 ppb1-0.1 ppb0.01 ppb
Seuil de détectionppmppmppm
10 ppm10 ppm100ppb10 ppm
Selsis et al. In pressDes Marais et al. 2002