LESIA - Observatoire de Paris

Exoplanètes et origine des systèmes planétaires

mercredi 11 juin 2014, par Vincent Coudé du Foresto, Thérèse Encrenaz, Dominique Bockelée-Morvan, Daniel Rouan, Philippe Zarka

L’exploration des exoplanètes nous a montré que les systèmes planétaires multiples étaient courants dans l’Univers. Avec la découverte de très nombreuses exoplanètes géantes à proximité immédiate de leur étoile-hôte, elle a aussi mis en évidence le fait que le Système Solaire est loin d’être unique, mais que le scénario de sa formation, tel que nous le comprenons, n’est pas immédiatement applicable aux systèmes extrasolaires. Il apparaît que les phénomènes de migration sont sans doute fréquents dans ces systèmes, et des travaux récents ont aussi mis en évidence leur importance au sein même de notre Système Solaire. Ces analogies mettent en évidence le besoin d’un couplage fort entre l’étude de l’origine du Système Solaire et celle des systèmes planétaires, le Système Solaire apparaissant comme un système-témoin que l’on peut étudier en détail, voire in-situ.

Une recherche en plein essor : l’exploration des exoplanètes

Les questions qui se posent à propos des exoplanètes

A ce jour, on connaît plus de 1800 planètes extrasolaires. Ces dernières ont des masses allant de moins d’une masse terrestre à plus d’une dizaine de masses de Jupiter, et des périodes de révolution qui s’échelonnent entre plusieurs heures et plusieurs années. Dans plusieurs centaines de cas, les étoiles possèdent même un cortège planétaire de deux ou trois planètes, voire cinq ou six. 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 avec le vent solaire) ?
  • 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 seulement au 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.

Les méthodes de détection

Méthodes de détection
Méthodes de détection

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La première exoplanète fut détectée en 1992 autour d’un pulsar, par l’analyse fine du rayonnement radio périodique émis par ce pulsar. En 1995, avec le télescope de 193 cm de l’Observatoire de Haute Provence, Michel Mayor et Didier Queloz détectèrent la première exoplanète en orbite autour d’une étoile de type solaire, 51 Peg b. La méthode utilisée était la vélocimétrie, c’est-à-dire la mesure des fluctuations périodiques de la vitesse radiale de l’étoile-hôte, une méthode qui s’est avérée très fructueuse dans les années qui suivirent la première détection.

Il existe bien d’autres méthodes de détection. Nous décrivons ci-dessous celles qui sont mises à profit dans les projets développés au sein du LESIA.

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 occultation 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 pour laquelle on a pu mesurer une taille et une densité comparables à celles de la Terre.

Au printemps 2014, CoRoT a découvert une trentaine d’exoplanètes et des centaines de candidats attendent confirmation au moyen de mesures vélocimétriques. Le projet PLATO, initialement conçu au LESIA et sélectionné par l’agence spatiale européenne, deviendra le successeur de CoRoT avec des performances accrues.

Contact : Daniel Rouan

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. Pour fonctionner depuis le sol, cette technique doit être associée à l’optique adaptative (aussi développée au LESIA) qui, en compensant la turbulence atmosphérique, permet d’éviter que la lumière de l’étoile ne soit étalée par dessus l’image de la planète. Plusieurs expériences du LESIA ont été 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. Suite à un vigoureux programme de R&D (Recherche et Développement), de nouvelles techniques ont été mises en oeuvre : coronographie à masque de phase à quatre quadrants, self-coherent camera. Le LESIA a également participé aux projets SEE-COAST et plus récemment SPICES (dont le porteur est membre du LESIA), soumis à l’ESA dans le cadre des missions M3 de Cosmic Vision mais non retenu. Il s’agit dans les deux cas d’un photomètre coronographique polarimétrique visant à obtenir des spectres d’exoplanètes à basse résolution dans le domaine visible.

Contact : Pierre Baudoz, Daniel Rouan, A. Boccaletti

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 de manière destructive la lumière issue de l’étoile (frange noire), mais de manière constructive celle issue de la planète (frange brillante) dont la position est légèrement décalée sur le ciel par rapport à l’étoile.

Le LESIA participe activement à cette recherche avec la mise en oeuvre du banc PERSÉE, dans la perspective d’une mission spatiale d’interférométrie annulante dédiée à la détection des exoplanètes. Plusieurs projets ont été étudiés en phase préparatoire au CNES et à l’ESA, la mission PEGASE, l’ambitieux projet DARWIN et ses précurseurs sol GENIE (sur le site du VLTI à Paranal) et ALADDIN (sur le haut plateau antarctique). L’objectif principal de PERSEE est d’étudier, en laboratoire, la stabilité d’un interféromètre en frange noire lorsqu’il est soumis à des perturbations représentatives de celles qu’il pourrait subir au point de Lagrange L2. L’interféromètre étant asservi, les perturbations sont automatiquement analysées et corrigées et les fluctuations résiduelles sont réduites à moins du millionième du flux initial, ce qui représente actuellement le record du meilleur taux d’extinction polychromatique jamais atteint par un banc d’interférométrie. Quant aux projets de R&D sur ce thème, ils se développent autour de composants innovants comme des fibres optiques monomodes ou un déphaseur optique en damier (banc DAMNED).

Contact : Vincent Coudé du Foresto

Emission radio décamétrique
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 intense à basses fréquences. Ce rayonnement, produit par des particules chargées accélérées dans les magnétosphères de ces planètes, est non thermique. Comme il ne dépend pas de la température du milieu où il est émis, il est presqu’aussi intense que les émissions solaires aux mêmes longueurs d’ondes (décamétriques). Des planètes extrasolaires géantes pourraient donc trahir leur présence par un rayonnement de ce type, à condition qu’il soit suffisamment intense pour être détecté 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 du monde fonctionnant à basses fréquences (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.

Contact : Philippe Zarka, Baptiste Cecconi

De la détection à la caractérisation

Au printemps 2014, le nombre d’exoplanètes détectées par transit est supérieur à 1000. Les découvertes se sont multipliées au cours des deux dernières années grâce aux nombreux réseaux mis en place depuis le sol, et aussi grâce aux télescopes spatiaux CoRoT et surtout Kepler. Ces résultats ouvrent la voie à un nouveau domaine de recherche, la caractérisation de l’atmosphère des exoplanètes au moment des transits. La méthode consiste à enregistrer le signal de l’étoile (et de la planète qui l’accompagne) avant, pendant et après les transits. Ceux-ci peuvent être primaires (passage de la planète devant l’étoile) ou secondaires (passage de la planète derrière l’étoile). Le signal planétaire est obtenu par soustraction entre les signaux enregistrés pendant le transit ou en dehors. Cette méthode extrêmement prometteuse a déjà été utilisée avec succès au moyen de télescopes au sol et le LESIA a été impliqué dans certaines de ces mesures.

Pour porter pleinement ses fruits, la méthode de spectroscopie par transit doit être réalisée depuis l’espace, de façon à obtenir la stabilité suffisante. L’instrument MIRI sur le JWST permettra de contribuer à cette recherche. L’idéal est d’obtenir depuis l’espace la couverture simultanée de l’ensemble du domaine spectral infrarouge. C’était le but de la mission EChO, soumise à l’ESA dans le cadre des missions M3 de Cosmic Vision mais non sélectionnée, et dans laquelle le LESIA a été fortement impliqué.

Contact : Pierre Drossart, Thérèse Encrenaz

Image d’artiste du Système Solaire en formation

Origine du Système Solaire et des systèmes planétaires

Comment peut-on obtenir des informations sur l’origine des systèmes planétaires ? Dans la plupart des cas, nous sommes limités pour l’instant à l’observation à distance des disques d’accrétion. Dans le cas du Système Solaire, considéré comme un système planétaire "témoin", nous avons accès à d’autres diagnostics. Ces diagnostics ne sont pas aujourd’hui utilisables pour d’autres systèmes, mais certains d’entre eux pourront le devenir à mesure que les techniques d’observation - imagerie et spectroscopie - deviennent plus performantes. Dès à présent, l’observation des comètes "tombant" sur l’étoile Beta Pic ou l’étude de la structure des disques de débris, analogues de notre ceinture de Kuiper, peuvent nous renseigner sur la structure et l’évolution des systèmes planétaires. D’ici une décennie, la mesure des rapports élémentaires et isotopiques en fonction de la distance au centre de l’étoile constituera peut-être un nouveau type de diagnostic applicable aux systèmes planétaires.

La caractérisation physique, chimique et isotopique des planètes, des satellites et des petits corps primitifs (astéroïdes, comètes et objets transneptuniens ) permet d’obtenir des informations sur les conditions dans lesquelles s’est formé le Système Solaire. En effet, certaines des propriétés caractéristiques du Système Solaire primitif y sont conservées. Les études théoriques et observationnelles des disques planétaires et protoplanétaires, et des planètes extrasolaires, permettent de comprendre les processus physico-chimiques et dynamiques en jeu dans la formation planétaire. La formation du Système Solaire et des systèmes planétaires est étudiée au LESIA par des approches complémentaires, observationnelles et théoriques.

Etude de la matière primitive du Système Solaire

L’étude de la matière primitive contenue dans les objets du Système Solaire est un des thèmes phares du LESIA, avec pour objectifs :

  • la caractérisation physique et chimique de la surface des objets transneptuniens : ces objets lointains peu lumineux sont observés en photométrie et spectroscopie visible et infrarouge avec les grands télescopes. Composés de glaces d’eau, de méthane, d’azote, etc ..., ces objets sont considérés parmi les objets les plus primitifs du Système Solaire.
  • la détermination de la composition moléculaire et isotopique des comètes qui donne accès à la composition de la nébuleuse primitive depuis Jupiter jusqu’à Neptune et au-delà. Les méthodes d’observations allient imagerie et spectroscopie radio et infrarouge. La grande diversité de composition des comètes suggère qu’elles se sont formées dans diverses régions de la nébuleuse, et/ou à des étapes différentes de la formation du Système Solaire. De nouveaux résultats ont été acquis dans le domaine submillimétrique grâce aux satellites Odin et Herschel. En particulier, l’instrument HIFI/Herschel, sur lequel le LESIA est fortement impliqué, a permis la mesure du rapport deutérium/hydrogène (D/H) dans la comète Hartley 2, qui appartient à la famille de Jupiter. Ce rapport, d’autant plus élevé que le milieu d’origine est froid, est un diagnostic précieux des conditions de formation des comètes dans lesquelles il est mesuré. A la différence des comètes du nuage de Oort qui présentent un rapport D/H 2 fois supérieur à la valeur terrestre, le rapport D/H dans Hartley 2 a exactement la valeur terrestre, ce qui pourrait indiquer une origine cométaire pour l’eau des océans terrestres.

Contact : Dominique Bockelée-Morvan, Jacques Crovisier, Nicolas Biver

  • l’étude statistique de la composition des astéroïdes pour comprendre la composition chimique primordiale à partir de laquelle les planètes telluriques se sont formées. Un autre aspect de la spectroscopie des astéroïdes est de déterminer les corps parents des différentes classes de météorites. L’étude des astéroïdes a bénéficié récemment des survols par la sonde spatiale Rosetta de deux astéroïdes, Steins en septembre 2008 et Lutetia en juillet 2010. Les instruments OSIRIS, VIRTIS et MIRO, sur lesquels le LESIA est fortement impliqué, ont fourni des images, des spectres et des mesures de la température et des propriétés de leurs surface et sous-sol.

Contact : Antonella Barucci, Marcello Fulchignoni

  • la mesure des rapports isotopiques et des abondances des gaz rares dans les atmosphères des planètes géantes et de Titan. Des résultats fondamentaux ont été obtenus par les mesures CIRS (Composite InfraRed Spectrometer) et GCMS (Gas Chromatograph Mass Spectrometer) de la mission Cassini Huygens et à partir d’observations avec le télescope spatial Herschel.

Mieux comprendre l’origine du Système Solaire à partir de la composition des comètes est l’objectif principal de la mission Rosetta, en route vers la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, mission dans laquelle le LESIA est fortement impliqué. La sonde rencontrera la comète à une distance de 3 UA et y déposera un module de descente, puis accompagnera la comète jusqu’à son passage au périhélie en août 2015, pour étudier le développement de son activité.

Le LESIA s’est également fortement investi dans la mission de retour d’échantillon astéroïdal MarcoPolo-R, proposée mais non retenue dans le cadre du programme Cosmic Vision de l’Agence Spatiale Européenne.

Structure du Système Solaire externe

La ceinture de Kuiper et le nuage de Oort
La ceinture de Kuiper et le nuage de Oort

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La distribution en taille des objets transneptuniens et la recherche de lunes autour de ces objets nous renseignent sur les processus d’accrétion dans le Système Solaire externe et le rôle des collisions dans la ceinture de Kuiper. La technique des occultations stellaires par photométrie ultra-rapide développée au LESIA (projets MEFOS et ULTRAPHOT) permet d’évaluer la population des très petits objets transneptuniens, de taille inférieure au kilomètre, inaccessibles par les techniques d’imagerie directe. Deux objets de 300 m situés à 100 unités astronomiques (UA) ont été identifiés par les chercheurs du LESIA par occultations stellaires. Cette technique permet d’envisager la détection de comètes situées dans le nuage de Oort, à plus de 10000 unitès astronomiques du Soleil. Parmi les résultats récents, il faut citer la mesure du diamètre de l’objet transneptunien Eris, dont la taille avait d’abord été estimée supérieure à celle de Pluton, et qui s’avère très proche de celle-ci.

Contact : Bruno Sicardy, Françoise Roques, Alain Doressoundiram

Modélisation du Système Solaire primitif et des disques protoplanétaires

Naissance du Système Solaire
Naissance du Système Solaire

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Le Système Solaire est né de l’effondrement d’un nuage dense du milieu interstellaire, le nuage présolaire. Grâce à sa gravité et à sa rotation, cette matière forme un disque protoplanétaire (la nébuleuse primitive). Au centre, le soleil se forme petit à petit pendant que les planétésimaux, puis les planètes naissent par accrétion dans le disque. Les chercheurs du LESIA développent des modèles numériques pour contraindre la structure de la nébuleuse primitive et les processus physico-chimiques et dynamiques qui interviennent dans la formation des planétésimaux. Ces modèles turbulents évolutifs du Système Solaire primitif ont pour but de comprendre notamment comment les espèces volatiles de la nébuleuse primitive ont été piégées dans les planétésimaux.

Même après leur formation, de nombreuses étoiles restent entourées d’un disque ténu de poussières, provenant de l’évaporation de comètes ou de collisions entre les petits corps du système planétaire. Pour le Soleil par exemple, ce disque est responsable de la lumière zodiacale bien visible à l’oeil nu (par nuit noire) dans le plan de l’écliptique. L’étude de ce phénomène est essentielle pour comprendre les interactions dans les systèmes planétaires et préparer les futures missions spatiales qui étudieront les exoTerres. En utilisant un instrument interférométrique à haute dynamique développé au laboratoire (FLUOR), les chercheurs du LESIA participent au recensement des lumières exozodiacales autour des étoiles proches de type solaire.

Contact : Philippe Thébault, Vincent Coudé du Foresto

Film illustrant l'accrétion des planétésimaux
Film illustrant l’accrétion des planétésimaux

Crédit NASA/Spitzer
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