Détection et caractérisation des planètes extrasolaires

Les questions qui se posent à propos des exoplanètes

A ce jour, on connaît près de 400 étoiles entourées de planètes (http://exoplanet.eu/catalog-all.php). Ces dernières ont des masses allant de quelques masses terrestres à plus d’une dizaine de masses de Jupiter, et des périodes de révolution qui s’échelonnent entre 1 jour et plusieurs années. Dans une trentaine de cas, les étoiles possèdent même un cortège planétaire de deux ou trois planètes. À travers la recherche et l’étude de ces planètes, l’astrophysicien cherche à répondre à plusieurs questions :

• Quelles sont les caractéristiques physiques de ces planètes (masse, taille, densité, température, composition chimique, champ magnétique, rotation…)
• Quels sont leurs processus de formation puis d’évolution ?
• Comment interagissent-elles avec leur étoile (marées, interactions plasmas) ?
• Quelle est la proportion des étoiles qui possèdent un cortège planétaire ?
• Comment les caractéristiques de l’étoile (âge, masse, taille, température, composition chimique…) influent-elles sur les questions précédentes ?

On pourrait y ajouter :

• Quelle est la définition d’une planète ? (Contrairement à ce qu’on pourrait penser, cette question n’est pas toujours évidente à trancher).

Au-delà de ces questions purement astrophysiques, se posent des questions qui n’appartiennent plus qu’au seul champ philosophique mais désormais sont aussi l’objet de la recherche scientifique :

• Existe-t-il des planètes semblables à la Terre et en particulier propres à abriter la vie telle que nous la connaissons ? Une autre forme de vie ?
• Existe-t-il des planètes habitées ? Si oui, ces formes de vie sont-elles intelligentes ?

La question des méthodes pour détecter et caractériser ces planètes extrasolaires est toutefois la première qui se présente au chercheur.

Méthodes de détection

Méthodes de détection

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Il existe quantité de méthodes de détection. Seules celles qui sont mises à profit dans les projets développés au sein du LESIA sont indiquées ici.

Détection de transits par photométrie à haute précision

Si le plan de l’orbite de la planète autour de son étoile contient la ligne de visée de l’observateur (l’astronome sur Terre), alors pour cet observateur, la planète passe devant le disque de l’étoile à chaque révolution. Il en résulte une occulation partielle de l’étoile et donc une baisse apparente de son éclat pendant quelques heures, et ce de manière périodique. Ce phénomène d’occultation partielle, appelé transit, peut-être utilisé pour déduire indirectement la présence d’un compagnon planétaire et permet d’en mesurer le diamètre. Le satellite CoRoT est le programme emblématique de cette recherche au LESIA. Il a en particulier permis la découverte de la planète Corot-7b qui est la première planète rocheuse de taille et de densité analogue à notre Terre. Le projet PLATO soumis à l’agence spatiale européenne par le LESIA et d’autres laboratoires, pourrait devenir le successeur de CoRoT avec des performances accrues.

Coronographie

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Si la planète est difficile à observer directement, ce n’est pas seulement parce qu’elle est intrinsèquement peu brillante, c’est aussi parce que l’observateur est "aveuglé" par la lumière de l’étoile. La coronographie est une technique qui consiste à masquer la lumière de l’étoile pour faire "ressortir" l’image de la planète. Plusieurs expériences du LESIA ont éte développées ou sont en cours de développement autour de cette technique : NAOS et les coronographes que nous y avons installés, le sous-système de coronographes de la caméra spatiale MIRI-JWST, l’instrument SPHERE-VLT équipé de coronographes du LESIA, le futur instrument EPICS-EELT. Une recherche et développement active est par ailleurs menée : coronographie à masque de phase à quatre-quadrants, self-coherent camera.

Interférométrie

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Cette technique consiste à combiner la lumière collectée par un ou plusieurs télescopes pour former des franges d’interférence. Il est possible d’extraire de l’apparence de ces franges (contraste et position), une information sur la forme de la source émettrice avec une résolution angulaire (finesse des détails) comparable à celle donnée par un télescope virtuel géant de diamètre égal à la distance entre les télescopes formant l’interféromètre. Au confluent de l’interférométrie et de la coronographie, se trouve l’interférométrie coronographique ou interférométrie en frange noire. Il s’agit cette fois d’éteindre la lumière de l’étoile en faisant se recombiner destructivement la lumière issue de l’étoile (frange noire), mais constructivement celle issue de la planète (frange brillante) dont la position est légèrement décalée sur le ciel par rapport à l’étoile. La mission DARWIN et l’expérience PERSÉE sont les deux projets auxquels le LESIA participe activement. Quant à la Recherche et Développement sur ce thème, elle se développe autour de composants innovants comme des fibres optiques monomodes ou un déphaseur optique en damier (banc DAMNED).

Emission radio décamétrique

Emission radio décamétrique

Interactions soleil-magnétosphère et Jupiter-satellites
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Les planètes géantes du système solaire, en particulier Jupiter, possèdent de forts champs magnétiques et émettent un rayonnement radio basses fréquences intense. Ce rayonnement, produit par des particules chargées accélérées dans les magnétosphères de ces planètes, est non thermique et de ce fait presqu’aussi intense que les émissions solaires aux mêmes longueurs d’ondes (décamétriques). Des planètes extra-solaires géantes pourraient donc trahir leur présence par un rayonnement de ce type, à condition qu’il soit suffisamment intense pour être capté depuis la Terre. Des études théoriques suggèrent que ce pourrait être le cas pour les Jupiters chauds (planètes géantes orbitant très près de leur étoile) magnétisés, ou pour les Jupiters chauds magnétisés ou non à la condition que leur étoile possède, elle, un fort champ magnétique (ce dernier cas est un analogue géant du système Jupiter-Io). Les systèmes planétaires les plus prometteurs sont actuellement observés par plusieurs équipes avec les plus grands radiotélescopes basses fréquences du monde (UTR2 en Ukraine, VLA aux USA, GMRT en Inde, et bientôt LOFAR en Europe). La détection directe d’une émission radio donnera une mesure directe du champ magnétique et de la période de rotation planétaires, et ouvrira le champ prometteur d’une étude comparative des magnétosphères et des interactions "plasmas" étoile-planète.

Thèses récentes

• Patrice Martinez - Coronagraphs characterization for high contrast imaging in the context of extremely large telescopes - PhD thesis, Université Paris VII, Ecole Doctorale d’Astronomie et d’Astrophysique d’Ile-de-France, November 2008
• Céline Cavarroc - Caractérisation d’un coronographe pour la détection d’exoplanètes avec MIRI/JWST - PhD thesis, Université Paris VII, Ecole Doctorale d’Astronomie et d’Astrophysique d’Ile-de-France, November 2007.
• Pierre Riaud - Coronographie à masque de phase : application aux télescopes et interféromètres au sol et dans l’espace - PhD thesis, Ecole Doctorale d’Astronomie et d’Astrophysique d’Ile-de-France, 2003.
• Pascal Bordé - Détection et caractérisation de planètes extrasolaires par photométrie visible et interférométrie infrarouge à très haute précision- PhD thesis, Ecole Doctorale d’Astronomie et d’Astrophysique d’Ile-de-France, 2003.
• Bertrand Menesson - Interférométrie stellaire dans l’infrarouge thermique : observation d’environnements circumstellaires par optique guidée monomode et contributions à la mission spatiale DARWIN - PhD thesis, Ecole Doctorale d’Astronomie et d’Astrophysique d’Ile-de-France, 1999.

Publications importantes

• Lagrange A.M., Gratadour D., Chauvin G., A probable giant planet imaged in the β Pictoris disk VLT/NACO Deep L-band imaging, Astron. Astrophys., December 2008
• Barge P., Baglin Annie, Auvergne Michel, Rauer H., Léger A., Schneider J., Pont F., Aigrain S., Almenara J. M., Alonso R., Barbieri Mauro, Bordé Pascal, Bouchy F., Deeg H. J., La Reza De, Deleuil M., Dvorak R., Erikson A., Fridlund M., Gillon M., Gondoin P., Guillot T., Hatzes A., Hebrard G., Jorda L., Kabath P., Lammer H., Llebaria A., Loeillet B., Magain P., Mazeh T., Moutou C., Ollivier Marc, Pätzold M., Queloz D., Rouan Daniel, Shporer A., Wuchterl G.. Transiting exoplanets from the CoRoT space mission. I. CoRoT-Exo-1b : a low-density short-period planet around a G0V star. Astron. Astrophys. 482, L17, 2008
• Deleuil M., Deeg H. J., Alonso R., Bouchy F., Rouan D., Auvergne M., Baglin A., Aigrain S., Almenara J. M., Barbieri M., Barge P., Bruntt H., Bordé P., Collier Cameron A., Csizmadia S., de La Reza R., Dvorak R., Erikson A., Fridlund M., Gandolfi D., Gillon M., Guenther E., Guillot T., Hatzes A., Hébrard G., Jorda L., Lammer H., Léger A., Llebaria A., Loeillet B., Mayor M., Mazeh T., Moutou C., Ollivier M., Pätzold M., Pont F., Queloz D., Rauer H., Schneider J., Shporer A., Wuchterl G., Zucker S., Transiting exoplanets from the CoRoT space mission . VI. CoRoT-Exo-3b : the first secure inhabitant ofthe brown-dwarf desert, Astron. Astrophys., 491, 889
• C. Cavarroc, A. Boccaletti, P. Baudoz, T. Fusco, and D. Rouan. Fundamental limitations on Earth-like planet detection with extremely large telescopes. Astron.Astrophys., 447:397-403, February 2006, 2008
• A. Boccaletti, P. Baudoz, J. Baudrand, J. M. Reess, and D. Rouan. Imaging exoplanets with the coronagraph of JWST/MIRI. Advances in Space Research, 36:1099-1106, 2005.
• A. Boccaletti, P. Riaud, P. Baudoz, J. Baudrand, D. Rouan, D. Gratadour, F. Lacombe, and A.-M. Lagrange. The Four-Quadrant Phase Mask Coronagraph. IV. First Light at the Very Large Telescope. Pub.Astron.Soc.Pacific, 116:1061-1071, November 2004
• P. Bordé, D. Rouan, and A. Léger. Exoplanet detection capability of the COROT space mission. Astron.Astrophys., 405:1137-1144, July 2003
• D. Rouan, P. Riaud, A. Boccaletti, Y. Clénet, and A. Labeyrie. The Four-Quadrant Phase-Mask Coronagraph. I. Principle. Pub.Astron.Soc.Pacific, 112:1479-1486, November 2000
• D. Rouan, A. Baglin, E. Copet, J. Schneider, P. Barge, M. Deleuil, A. Vuillemin, and A. Léger. The Exosolar Planets Program of the COROT satellite. Earth Moon and Planets, 81:79-82, 2000.
• P. Zarka. Plasma interactions of exoplanets with their parent star and associated radio emissions. Planet. Space Sci., 55:598-617, 2007.
• J.-M. Griessmeier, P. Zarka, and H. Spreeuw. Predicting low-frequency radio fluxes of known extrasolar planets. Astron. Astrophys., 475:359-368, 2007.