Au cours des 20 dernières années, plus de 3000 exoplanètes ont été découvertes. Ces planètes qui tournent autour d'autres étoiles que le Soleil ont été détectées très récemment. Dans cet exposé, nous verrons pourquoi ces astres sont si difficiles à détecter. Ensuite nous dresserons un état des lieux des découvertes d'exoplanètes et enfin nous ouvrirons des perspectives sur l'avenir, puisque le but ultime de ces recherches est d'arriver à déterminer si la vie a pu apparaitre ailleurs que sur Terre.
2. La Société Lorraine d’Astronomie
• Association sans but lucratif
• Existe depuis 1965
• Rassemble les passionnés d’astronomie autour de Nancy
• Une soixantaine de membres
• Locaux (salle + coupole + planétarium) à la fac de sciences à
Vandoeuvre-lès-Nancy
12. Exoplanète
Définition : planète tournant autour d’une autre étoile que le Soleil
Définition étendue : planète située hors du Système solaire
13. Comment nomme t-on une exoplanète ?
Nom de son étoile suivi d’une lettre minuscule (b, c, d…), attribuée suivant
l’ordre d’observation
Exemple :
• Étoile : Proxima du Centaure
• Première planète découverte : Proxima du Centaure b
14. Exoplanète
On pensait que la plupart des étoiles étaient pourvues de planètes,
mais il a fallu attendre le début des années 1990 pour détecter les
premières exoplanètes
Pourquoi ?
15. Les difficultés de la détection directe
1 – Séparation angulaire très petite
Soleil - Jupiter à 4 années-lumière
(étoile la plus proche)
2 € à 1,25 km
16. Les difficultés de la détection directe
1 – Séparation angulaire très petite
Soleil - Jupiter à 100 années-lumière
2 € à 30 km
17. Les difficultés de la détection directe
1 – Séparation angulaire très petite
Soleil - Terre à 100 années-lumière
2 € à 150 km
18. Les difficultés de la détection directe
2 – Une énorme différence de luminosité
Voir une planète à côté de son étoile revient à
distinguer depuis Paris un ver luisant tout à côté
d'un phare situé à Marseille.
32. Précision de la méthode des vitesses radiales
• Elodie (1995) : 60 km/h
• Sophie (2004) : 20 puis 5 km/h
• HARPS (2006) : 3 km/h
• Espresso (2017) : 0,3 km/h
35. Autres méthodes de détection
• Microlentille gravitationnelle
• Chronométrage
• Astrométrie
• Imagerie directe
2004 : 1ère photographie optique d'une
exoplanète (2M1207 b) par le VLT
41. Quelques chiffres (août 2017)
• 3600 exoplanètes confirmées
• 600 systèmes multiples
• Entre 2000 et 4500 candidates exoplanètes
• Des planètes de plus en plus petites (< taille Terre)
42.
43. Mesures que l’on peut déduire
• Période vitesse radiale ou transit => période révolution
• Amplitude vitesse radiale => masse minimale planète
• Amplitude vitesse radiale + angle visée => masse planète
• Spectre étoile => type, masse, rayon étoile
• Masse étoile + période révolution => distance planète
• Type d’étoile + distance planète => température
• Diminution lumière + rayon étoile => rayon planète
• Masse planète + rayon planète => densité
Quelques fois : spectroscopie => composition atmosphère
44. Une extraordinaire variété de planètes
• Jupiter chauds
• Neptune chauds
• Mini Neptune
• Super-Terre
• Planètes-océans
• Planètes torrides (> 4000°C)
• Des systèmes multiples
• …
45.
46. Des exoplanètes là où on ne les attendait pas
• Partout ou presque
– Autour de pulsars
– Dans des systèmes à plusieurs étoiles
– Planètes vagabondes / errantes
– Planètes très près de leur étoile => planètes torrides / qui s’évaporent
– Autour de l’étoile la plus proche du Soleil : Proxima du Centaure
• Estimations :
– > 100 milliards de planètes dans la Voie Lactée (1 étoile sur 2)
– 8,8 milliards de planètes semblables à la Terre
47. Est-ce une planète ou une étoile ?
Si le critère est la masse => on ne sait pas bien où est la limite
48. Une mise en question du modèle de formation
des systèmes planétaires
• Migration planétaire
49. Une mise en question du modèle de formation
des systèmes planétaires
• La plupart des exoplanètes sur des orbites excentriques
56. Zone habitable
Zone autour d’une étoile où une planète pourrait abriter de l’eau liquide
Attention : plusieurs autres paramètres que la distance à son étoile rendront
ou non une planète « habitable » :
• Masse de la planète
• Présence d’atmosphère
• Composition planète (activité volcanique, bouclier magnétique)
• Période de rotation
• Inclinaison de l’axe de rotation
• Excentricité de l’orbite
• Présence de lunes
• …
=> La zone habitable est la zone la plus probable où trouver de l’eau liquide
sur des exoplanètes (mais sans garantie).
61. Résumé et conclusion
Début 1990 : premières exoplanètes détectées
Août 2017 : 3600 exoplanètes découvertes
dont 52 dans la zone habitable (1,4 %)
Une grande variété d’exoplanètes
Des exoplanètes partout ou presque
Futures projets : détecter de nouvelles exoplanètes et déterminer leur
composition
Repenser le processus de formation des systèmes planétaires
63. Détection de HD 189733 b à Nancy
• Près de M27, dans la constellation du Petit Renard
• A 63 années-lumière
• Magnitude : 7,7
• Baisse de luminosité : 0,03 magnitude !
• Durée du transit : 110 min
• Révolution : 2,2 jours !
67. Pour aller plus loin
Hors Série n°28 (juillet 2017) de Ciel & Espace « Terres habitables »
Découvrez des exoplanètes :
https://www.zooniverse.org/projects/ianc2/exoplanet-explorers
The Extrasolar Planets Encyclopaedia : http://exoplanet.eu/
71. Corot
• France, ESA
• Méthode des transits
• Lancé en 2006
• 32 exoplanètes
découvertes
72. Kepler
• NASA
• Méthode des transits
• Lancé en 2009
• Planètes de type terrestre
• 2500 exoplanètes confirmées !
• 5000 candidates
• Observe une partie du ciel
74. SPHERE et le VLT
• ESO
• 2014
• Imagerie directe des exoplanètes
• Mesure du spectre et la polarisation des planètes géantes (+
coronographe et optique adaptative)
75. Gaia
• ESA
• Méthode des transits et astrométrie
• Lancé en 2013
• Mesure les caractéristiques d’un milliard d’objets
• Astrométrie, spectromètre, spectrophotomètre
• Pourrait détecter 6 500 exoplanètes par transit et 21 000 par astrométrie
• Planètes géantes à longue période
79. TESS
Transiting Exoplanet Survey Satellite
• NASA
• Lancement : 2018
• Méthode des transits
• Détection exoplanètes telluriques
• Successeur de Kepler
• Etoiles plus brillantes que Kepler
• Observera tout le ciel
80. PLATO
PLAnetary Transits and Oscillations of stars
• ESA
• Lancement : ~ 2024
• Méthode des transits et astrosismologie
• But : découverte et caractérisation d’exoplanètes terrestres
• Scrutera 1 millions d’étoiles pendant 6 ans
81. Télescope spatial James Webb
• NASA et ESA
• Lancement : 2018
• 6,5 m de diamètre
• Composition
82. Des télescopes géants à venir
• Des télescopes terrestre de 25 à 40 m de diamètre, comme l’E-ELT (2025)
• Possibilité d’analyser la surface et l’atmosphère des planètes
83. Etudier l’atmosphère des exoplanètes
3 solutions envisagées :
• La coronographie (masquer l’étoile)
• Le parasol stellaire (masquer l’étoile)
• L’interférométrie dans l’espace
84. Darwin
• ESA
• Etude arrêtée en 2007
• Observation directe
• Spectroscopie de l’atmosphère d'une planète
Hinweis der Redaktion
Ceci est une vue d’artiste.
Elles sont beaucoup utilisées car on fait très peu de détection directe.
Il y 4,6 milliards d’années
Gaz et poussière se groupent et chauffe pour former une étoile (au centre) et des planètes, astéroïdes et comètes (autour).
Disque protoplanétaire
Le Soleil est une étoile : une grosse boule de gaz chaud, qui émet de la lumière
Les planètes sont rocheuses ou gazeuses, elles renvoient la lumière du Soleil.
Taille : Neptune à 30 UA
Ceinture de Kuiper : 30 à 50 UA et au-delà de 100 UA
Nuage de Oort : vers 50 000 UA
Limite gravitationnelle : 1 à 2 al
Soleil : 99,86 % masse du Système solaire
Jupiter et Saturne : > 90 % masse restante
Nuage de Oort (sphère hypothétique) : vers 50 000 UA
D’où proviendraient les comètes à longue période
Etoiles les plus proches à 4 al du Soleil
200 à 400 milliards d’étoiles dans notre galaxie (Voie Lactée)
Diamètre : entre 100 et 120 000 al
Soleil à 27 000 al du centre de la Galaxie
200 milliards d’étoiles dans notre galaxie (Voie Lactée)
Diamètre : 100 000 al
Soleil à 27 000 al du centre de la Galaxie
Cette définition est étendue de manière plus ou moins officielle, suite aux découvertes récentes, aux « planètes errantes », c'est-à-dire n'étant liées par la gravité à aucune étoile
Si on se téléporte sur l’étoile la plus proche à 4 al, angle max entre le Soleil et Jupiter
4’’ = pièce de 2€ à 1,25 km
Rappeler ce que sont les arcsec 1 cercle -> 360°
1° = 60’
1’ = 60’’
Résolution classique d’un instrument d’amateur (C8) : 1’’
0,15 arcsec
0,03 arcsec
Mieux que la résolution maximale du HST (0,05 arcsec)
Rapport de flux :
Jupiter : 10^-8
Terre : 10^-10
Michel Mayor et Didier Queloz, à l’OHP
51 Pégase (42 al)
Planète grosse comme Jupiter
Révolution : 4 jours ! (12 ans pour Jupiter) => très près de son étoile
6 fois plus près que Mercure du Soleil
Télescope de 1,93 m
Anita
Cette méthode permet de déterminer la masse des étoiles
ELODIE : 15 m/s
SOPHIE : 5 à 6 m/s puis 1 à 2 m/s
HARPS : < 1 m/s
Espresso : < 10 cm/s
Permet de détecter des exoplanètes plus petites qu’avec la méthode des vitesses radiales
On estime à 5 % des étoiles avec une exoplanète la quantité détectable avec cette méthode.
1999 : 1ère découverte par cette méthode.
Terre : 80 ppm (partie par million) => 0,008 %
Jupiter => 1%
Précision : 0,1 % depuis le sol (0,5 % pour amateurs), 0,001% depuis l’espace
Astrométrie : mesure de la position de l’étoile
Chronométrage : mesure la variation de temps que met à la lumière à nous parvenir du à la variation de distance de l’étoile (pulsar, étoiles binaires à éclipse)
Continents réfléchissent plus que les océans => en photométrie d’exoplanète on peut déduire la période de rotation de la planète sur elle-même
On peut mesurer la pression avec la diffusion de Rayleigh
Température = température d’équilibre en surface (sans atmosphère)
Biais observationnel : on détecte les grosses planètes qui tournent rapidement autour de leur étoile
C’est une surprise de trouver d’aussi grosses planètes près de leur étoile : on pense que ces « Jupiter chauds » se sont formés loin de leur étoile et se sont ensuite rapprochés (migration).
Densité de la Terre : 5,5
Planète la plus chaude : KELT-9b (HD 195689b) -> 4300°C
1,4 planète autour des étoiles de type M
Une douzaine de planètes errantes détectées (mai 2017)
< 13 masse Jupiter => planète ???
On a découvert une « planète » 28,5 plus massive que Jupiter (2MASS J08230313-4912012 b = DENIS-P J082303.1-491201 b)
Image est extraite d'une simulation numérique de migration d'une proto-planète. L'étoile centrale, non représentée, est située au centre de la figure. La simulation a été réalisée sur une échelle de temps correspondant à 200 orbites. Le cercle en pointillés blancs représente l'orbite initiale et la masse de la proto-planète est égale à 40 fois celle de la Terre.
Jupiter excentrique
1999 : on détecte de l’oxygène et du carbone dans son atmosphère.
Son atmosphère est soufflée par l’étoile
2005 : première exoplanète découverte autour d’un système à 3 étoiles
Nom donné en référence à la planète du même nom dans la saga Star Wars
Planète glacée : -223 °C
En référence à la planète Hoth dans Star Wars
Possède 3 planètes et probablement une ceinture d’astéroïdes
Annoncée en 2016 par l’ESO
Découverte par vitesses radiales au 3,6 m au Chili (5 km/h)
> 1,3 masse Terre (entre 1,3 et 5)
Dans la zone habitable de la naine rouge Proxima Centauri.
Probablement dénuée d’atmosphère.
L'étoile binaire Alpha Centauri AB est visible à l'arrière-plan.
Zone habitable : zone où on pourrait trouver de l’eau liquide sur la planète (mais ça dépend d’autres paramètres)
Cible de choix pour des observations directes et une exploration robotique. 424 millions d’années pour s’y rendre à la vitesse des missions Apollo
Montre probablement la même face à son étoile
Reçoit entre 65 et 70% de l’énergie que la Terre capte du Soleil
Proxima tourne autour des étoiles Alpha en 550 000 ans, à 13 000 UA
Proxima se serait formé il y a 5 ou 6 milliards d’années
Masse suffisante => retient l’atmosphère ; masse trop grande => enveloppe de gaz opaque
Masse suffisante + rocheuse => volcanisme => émission CO2 => effet de serre
Noyau de fer en rotation => effet dynamo, champ magnétique => protège radiations cosmiques
Terre sans atmosphère (température d’équilibre en surface) : -18°C, avec : +15°C ; Vénus : effet de serre terrible (+460°C) ; Mars atmosphère infime
Renouvellement du CO2 : sur Terre il est absorbé par les océans, mangé par le plancton et produit par les volcans et l’érosion des pierres => équilibre
La Lune est à bonne distance mais inhabitable.
Des satellites comme Europe ou Encelade ne sont pas dans la zone habitable mais on espère y trouver de l’eau liquide sous la banquise.
Vénus devrait avoir une température de +27°C mais en réalité +460°C
Présence de lunes : stabiliserait l’axe de rotation
Sur Mars, pour avoir de l’eau liquide à la pression atmosphérique de la planète, il faut que T soit entre 0 et 20°C
39 al
7 planètes taille comparable à la Terre
Naine ultra-froide, entre naine brune et naine rouge (2550 K)
Les planètes sont en résonance : lorsque Trappist-1g fait un tour de son étoile, Trappist-1b en fait 8, Trappist-1c, 5, Trappist-1d, 3, Trappist-1e, 2, et Trappist-1f, 4/3
Age étoile : entre 5.4 et 9.8 milliards d’années (http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/new-age-estimate-for-trappist-1-1508201723/)
Source des 52 habitables : C&E HS28 (page 22)
Détecté en 2005 par la méthode des vitesses radiales
1,14 rayon jovien pour 1,16 fois la masse de Jupiter
Distance à son étoile : 0,03 UA = 4,5 millions km !
Parmi les étoiles les plus lumineuses pour lesquelles on a découverte une exoplanète
Assez grande variation de magnitude, en tout cas suffisante pour que les amateurs puissent la détecter.
Détecté en 2005 par la méthode des vitesses radiales
1,14 rayon jovien pour 1,16 fois la masse de Jupiter
Distance à son étoile : 0,03 UA = 4,5 millions km !
Parmi les étoiles les plus lumineuses pour lesquelles on a découverte une exoplanète
Assez grande variation de magnitude, en tout cas suffisante pour que les amateurs puissent la détecter.
Transit du 8 au 9 juin 2014 de 22h42 à 0h32 TU
Prise de vue de 22h04 à 1h35 TU
Pollution lumineuse (SQM sans Lune : ~18,8 mag/arcsec^2)
Lune à 70%
Légers passages nuageux
Basse altitude : 32° à 22h04 (1,9 airmass), 62° à 1h35 (1,1 airmass)
extinction de 0,4 mag
Télescope Newton 250 mm + caméra CCD Atik11000
1 image chaque minute (30 s de pose)
Livre « EXOPLANET OBSERVING FOR AMATEURS: SECOND EDITION » : http://brucegary.net/book_EOA/x.htm
Prédiction des transits :
- http://var2.astro.cz/ETD/
- NASA exoplanet archive : https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu -> tools -> transit & ephemeris service
- http://transitsearch.org/
Sphère : 41 253 degrés dans le Cygne
Kepler : 115 degrés (0,28%) 2 cuillères de la Grande Ourse
Vitesse de transmission de données : 550 kbps
200 000 étoiles mesurées
700 exoplanètes annoncées en 2014 !
1300 en 2016 !
Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet Research
Composé d'un miroir déformable comprenant 1 300 actionneurs pouvant compenser 1 200 fois par seconde
Capable de détecter depuis Paris la lumière d’une bougie située à 50 cm d’un phare situé à Marseille
Espresso : vitesse radiale < 10 cm/s
La Terre autour du Soleil : 9 cm/s
Coronographe interférométrique
Présence de CO2, O2 et d’eau serait un bon indicateur de la vie (photosynthèse)
Déterminera quelques cibles pour une étude ultérieure de l’atmosphère
2 ans
Surveillera 200 000 étoiles
But : trouver 500 d’un rayon < 2x celui de la Terre
Champ 100x celui de Kepler
Ciblera des étoiles plus proches et plus brillantes
Successeur du HST
Dispose d’un coronographe et d’un spectromètre
Pas uniquement pour les exoplanètes
European Extremely Large Telescope
L’interférométrie dans l’espace : on ne maitrise pas la technique pour positionner suffisamment précisément les télescopes
Coronographe interférométrique
Présence de dioxyde de carbone (CO2), d’ozone (O3) et d’eau (H2O) serait un bon indicateur de la vie (photosynthèse), ainsi que de méthane (CH4)
