PLATO

L’étude des étoiles et de leurs planètes

Etoiles et planètes naissent ensemble à partir du même milieu, et donc partagent les premières phases de leur histoire. Leur formation et leur évolution restent ensuite intimement liées. L’évolution des systèmes planétaires doit donc être considérée comme un tout, et la compréhension de l’évolution des planètes passe par celle de l’évolution stellaire.

De plus, la caractérisation des exoplanètes (mesure de leurs paramètres orbitaux, de leur taille, de leur masse, de leur âge) nécessite celle de leurs étoiles-hôtes. En effet, la plupart des mesures que nous pouvons obtenir sur les systèmes exoplanétaires concernent les rapports des quantités décrivant la planète à celles décrivant l’étoile : rapport des rayons planète/étoile, rapport des masses, etc.

L’approche proposée pour la mission PLATO est précisément d’étudier simultanément les exoplanètes et leurs étoiles-hôtes, observées ensemble par la même technique.

Détecter et étudier les exoplanètes grâce à leurs transits

La photométrie à ultra-haute précision, telle qu’utilisée dans le cadre de la mission CoRoT, permet de détecter le transit des exoplanètes devant leur étoile-hôte, selon le schéma ci-dessous :

Schéma illustratif d’un transit planétaire et de la courbe de lumière correspondante

(cliquez pour agrandir)

La méthode photométrique est pour l’instant la seule permettant de mesurer le rapport des rayons de la planète et de l’étoile, en mesurant la profondeur du transit sur la courbe de lumière. Elle nous donne également la possibilité de détecter de petites planètes telluriques.

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Caractériser les étoiles-hôtes par l’astérosismologie

L’astérosismogie est l’étude des oscillations stellaires, qui sont des ondes acoustiques se propageant à l’intérieur des étoiles. Les fréquences de ces oscillations dépendent de la structure de l’intérieur des étoiles, donc leur mesure nous permet de sonder directement les intérieurs stellaires. C’est ainsi que l’analyse fine des fréquences d’oscillation d’une étoile nous permet de mesurer précisément sa masse, son âge, sa rotation interne, ainsi que d’autres détails de sa structure interne.

Exemple d’une oscillation non radiale

On y voit à la fois le comportement de l’oscillation en surface, représenté par une harmonique sphérique, ainsi que le comportement à l’intérieur de l’étoile, dans la portion en coupe (cliquez pour agrandir)

Cet outil nous permettra de mesurer les caractéristiques des étoiles-hôtes des exoplanètes détectées par PLATO, et d’en déduire celles des planètes, en particulier leur âge.

L’astérosismologie sera également utilisée par PLATO pour progresser dans notre compréhension de l’évolution stellaire.

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Concept instrumental de PLATO

Le satellite PLATO observera deux champs de près de 2000 deg², chacun pendant 3 ans. Un troisième champ pourra être ajouté en fin de mission. Ainsi, des exoplanètes de période orbitale jusqu’à 1 an pourront être détectées. A ces phases d’observations longues, s’ajoutera une phase dite de "step&stare", pendant laquelle plusieurs champs de 2000 deg² seront observés plusieurs mois chacun. Au total, c’est pratiquement la moitié du ciel qui pourra être couverte par des observations de PLATO. Environ 250000 étoiles naines froides seront scrutées à la recherche de planètes, parmi lesquelles les 20000 les plus brillantes seront mesurées avec une précision suffisante pour détecter et analyser leurs oscillations. Ces exoplanètes dont l’étoile-hôte sera analysée par sismologie, pourront être caractérisées : en particulier nous connaîtrons de manière fiable leur taille, leur masse et leur âge.

Le concept instrumental de PLATO consiste en un ensemble de 32 caméras identiques, entièrement dioptriques, de 120mm de pupille, observant le même champ de 37° de diamètre. Chacune de ces caméras est équipée de son propre plan focal, constitué de 4 CCDs de 4510 x 4510 pixels. Les images de chacune de ces caméras sont traitées à bord et les courbes de lumière et de barycentres de toutes les étoiles présentes dans le champ sont mesurées et transmises au sol, indépendamment pour chaque caméras, avant d’être moyennées.

concept instrumental de PLATO

Concept instrumental étudié dans le cadre de la mission PLATO. Le concept montré ci-dessus inclut 40 caméras identiques, tandis que le concept retenu actuellement n’en compte que 32.

Un élément important de PLATO sera l’organisation d’observations de suivi au sol. En particulier, la mesure des vitesses radiales des étoiles pour lesquelles des transits auront été détectés permettra d’une part de confirmer la présence des planètes et d’autre part de mesurer leur masse.

Par ailleurs, pour les exoplanètes détectées autour des étoiles les plus proches et les plus brillantes, des observations avec d’autres instruments, comme l’E-ELT ou bien le télescope spatial JWST, permettront une étude des atmosphères planétaires.

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PLATO sera injecté sur une orbite autour du point de Lagrange L2, par un lanceur Soyouz-Frégate. La stabilité de cette orbite lui permettra d’observer sans interruption (ou presque) le même champ pendant plusieurs années, moyennant une rotation du satellite autour de la ligne de visée tous les 3 mois.

PLATO sera placé en orbite autour du point de Lagrange L2, situé à 1,5 millions de km de la Terre dans la direction opposée au Soleil (cliquez pour agrandir)

Comparaison avec CoRoT

Le champ surveillé par PLATO en permanence sera au final de près de 4000 deg², en deux pointés de 3 années chacun, à comparer aux 6 fois 4 deg² de CoRoT. Par ailleurs, dans son concept à 32 caméras, PLATO offrira une surface collectrice de 0.4 m², significativement plus grande que les 0.06 m² de CoRoT. Ainsi, les oscillations de type solaire seront détectables jusqu’à la magnitude 11, alors que CoRoT ne peut les détecter que jusqu’à la magnitude 8 environ.

Implication du LESIA

Le LESIA participe activement à la phase d’étude de définition de PLATO : le PI du projet, une large fraction du groupe système, ainsi que les responsables des traitements à bord, sont des personnels du LESIA.