Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

Exoplanètes et origine des systèmes planétaires

vendredi 21 octobre 2022, par Benjamin Charnay, Vincent Coudé du Foresto, Sylvestre Lacour, Pierre Kervella, Anne-Marie Lagrange, Françoise Roques, Philippe Thébault, Quentin Kral, Philippe Zarka

L’étude des exoplanètes est devenue une thématique majeure de l’astronomie. La grande diversité des systèmes exoplanétaires nous procure une nouvelle perspective sur notre système solaire et la possibilité de vie sur d’autres mondes. La caractérisation des systèmes exoplanétaires et des atmosphères exoplanétaires vise à contraindre les processus de formation et d’évolution qui conduisent à cette diversité et qui contrôlent l’habitabilité des planètes. La décennie à venir sera une période clé dans cette aventure par la conjonction de nombreux instruments dédiés principalement ou en grande partie aux exoplanètes. La recherche sur les exoplanètes au LESIA est organisée au sein d’une équipe transverse, dont les membres sont issus des 4 pôles et travaillent sur des aspects d’instrumentation, d’observation et de modélisation des systèmes exoplanétaires.

Vue d’artiste d’exoplanètes potentiellement habitables, avec la Terre (en haut à droite) et Mars (en haut au milieu). Crédits : PHL@UPR Arecibo, phl.upr.edu / NASA / ESA / Hubble.

Thématiques

1) Observation et instrumentation

Transit
Schéma illustratif d'un transit planétaire
Schéma illustratif d’un transit planétaire

©ESA - European Space Agency (cliquez pour agrandir)

Si le plan de l’orbite de la planète autour de son étoile contient la ligne de visée de l’observateur, 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 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 et le nanosatellite PicSat furent des programmes emblématiques de cette recherche au LESIA. Le projet PLATO, initialement conçu au LESIA et sélectionné comme mission ESA-M3, permettra de découvrir et caractériser des systèmes planétaires comparable au système solaire. La spectroscopie de transit consiste à mesurer les variations apparentes de rayon d’une exoplanète avec la longueur d’onde pour en caractériser l’atmosphère. Cette méthode sera très utilisée avec JWST puis avec la mission ESA-M4 Ariel, dont le LESIA est chargé de la calibration. Nous appliquons également les techniques de spectroscopie de transit à haute résolution spectrale depuis le sol avec des instruments comme CFHT-SPIRou et VLT-CRIRES.

Contacts : M.-J. Goupil, B. Charnay

Imagerie haut contraste
Principe du coronographe
Principe du coronographe

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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 (qui est aussi un axe de recherche important au LESIA) qui compense la turbulence atmosphérique et améliore grandement les performances des coronographes. Le LESIA est impliqué dans plusieurs instruments coronographiques, avec la participation à JWST-MIRI , à l’instrument VLT-SPHERE, et sa future version améliorée SPHERE+, avec pour but de détecter et de caractériser des exoplanètes géantes jeunes et des disques circumstellaires. Suite à un vigoureux programme de R&D (Recherche et Développement), de nouvelles techniques sont constamment développées au LESIA. Pour ces développements, le LESIA dispose d’un banc de test unique en Europe, le banc THD2. Enfin, le projet ERC Cobrex (PI : A.-M. Lagrange) vise à développer de nouvelles techniques d’analyse de données d’imagerie haut contraste.

Contacts : P. Baudoz, A. Boccaletti

Principe de l'interférométrie
Principe de l’interférométrie

A gauche : séparation des franges d’interférences entre l’étoile et l’exoplanète. A droite : observation avec GRAVITY de la naine brune QG Lup B.

Interférométrie

Les équipes du LESIA ont construit l’instrument GRAVITY, qui est un interféromètre optique installé sur le Mont Paranal, au Chili. Cette interféromètre combine la lumière de 4 télescopes “UT” de 8 mètres de diamètre. Cela en fait en faire un “super-télescope” ayant la résolution angulaire d’un télescope de 120 mètres de diamètre. Notre équipe exploite cet instrument pour mesurer précisément la position des exoplanètes, suivre leurs orbites, et mesurer les interactions des exoplanètes dans les systèmes multiples. Nous développons aussi au sein de notre groupe de nouveaux instruments interférométriques, se focalisant notamment sur l’observation de l’émission en H alpha des protoplanètes en phase d’accrétion (instrument FIRST).

Contacts : S. Lacour, E. Huby

Principe de la détection d'exoplanètes par astrométrie
Principe de la détection d’exoplanètes par astrométrie

Trajectoire apparente sur le ciel (courbe en vert) d’une étoile (A) possédant une planète (B). Les deux objets orbitent autour de leur centre de masse (G). Les mesures de mouvement propre par Hipparcos et Gaia montrent un changement de vitesse de déplacement de l’étoile. (cliquer pour agrandir)

Vitesse radiale et astrométrie ; approche multi techniques

La vitesse de déplacement d’une étoile, à la fois en projection sur le ciel (mouvement propre) et le long de la ligne de visée (vitesse radiale) est affectée par la présence de compagnons en orbite autour de cette étoile. Les étoiles possédant une ou plusieurs planètes ont une trajectoire dans l’espace présentant de légères oscillations, alors que les étoiles simples se déplacent en ligne droite. La combinaison des mesures astrométriques de mouvement propre des satellites Européens Gaia et Hipparcos et de mesures de vitesse radiale (obtenues par spectroscopie) permet de détecter la présence d’une planète autour d’une étoile, et dans certains cas d’estimer ses paramètres orbitaux et sa masse. Dans certains cas, on peut aller encore plus loin et combiner ces informations avec les données en imagerie (VLT-SPHERE par exemple), ou avec des mesures de position relative très précises de l’instrument GRAVITY pour améliorer la qualité des paramètres orbitaux obtenus et la détermination des masses des planètes.

Contacts : A.-M. Lagrange, P. Kervella

Emission radio
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 presque aussi intense que les émissions solaires aux mêmes longueurs d’ondes (décamétriques). Des planètes extrasolaires géantes pourraient donc trahir leur présence par ce rayonnement. Des études théoriques suggèrent que ce pourrait être le cas pour les Jupiters chauds (planètes géantes orbitant très près de leur étoile). Les systèmes planétaires les plus prometteurs sont observés par plusieurs équipes avec les plus grands radiotélescopes du monde fonctionnant à basses fréquences. Des signaux potentiellement d’origine exoplanétaire ont été détectés mais nécessitent une confirmation. Les perspectives bientôt offertes par NenuFAR (en France) et SKA (basses fréquences, en Australie) permettent d’être optimistes. 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.

Contacts : Philippe Zarka, Laurent Lamy

2) Modélisation

Disques circumstellaires
Production et évolution du CO dans un disque de débris
Production et évolution du CO dans un disque de débris

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Dans de nombreux systèmes planétaires, des disques circumstellaires de matériaux non utilisés dans la formation des planètes subsistent, tels les ceintures d’astéroïdes ou de Kuiper dans notre système solaire. L’étude de ces disques de débris est d’une importance capitale car leur évolution et leur structure sont intimement liées à celles des planètes du système, tout en étant souvent plus facilement observables que les planètes elles-mêmes. Le LESIA a depuis deux décennies développé une expertise de premier plan pour la modélisation numérique de ces disques. Cette expertise s’articule autour de 3 grands axes : 1) l’étude collisionnelle des disques de débris, avec un code statistique qui a permis de comprendre le lien en poussière observée et le réservoir total de matière solide ; 2) Le couplage entre évolution dynamique et collisionnelle, avec les codes DyCoSS et LIDT-DD, qui ont permis l’étude fine des interactions entre disques et planètes ou compagnons stellaires ; et 3) l’étude de la composante gazeuse de ces disques, avec à la fois des modèles explorant le taux de production de gaz et son observabilité avec par exemple ALMA, mais aussi des modèles suivant l’évolution thermodynamique, physico-chimique et hydrodynamique de ce gaz, sans oublier les études les plus récentes permettant de suivre l’accrétion de ce gaz par les planètes déjà formées et ses éventuelles conséquences sur les atmosphères de celles-ci.

Contacts : Q. Kral, P. Thébault

Atmosphères d’exoplanètes et habitabilité des planètes
Simulation 3D d'un Jupiter chaud
Simulation 3D d’un Jupiter chaud

Simulation 3D avec le Generic PCM montrant la température et les vents côté jour sur WASP-43b (©L. Teinturier).

Les exoplanètes constituent un fantastique laboratoire pour étudier les processus atmosphériques dans des conditions très différentes des planètes du système solaire. L’analyse de la composition chimique atmosphérique fournit également des informations sur les mécanismes de formation et d’évolution planétaire, ainsi que sur l’habitabilité et potentiellement la présence de vie à la surface d’une exoplanète. L’équipe exoplanètes du LESIA est impliquée dans le développement de modèles 1D et 3D d’atmosphères d’exoplanètes. L’objectif est d’inclure dans ces modèles les processus physiques/chimiques clés qui contrôlent les atmosphères afin d’interpréter les observations par spectroscopie de transit ou par imagerie directe. Nous avons développé le modèle 1D Exo-REM, initialement pour interpréter les observations SPHERE d’exoplanètes géantes jeunes. Ce modèle a été étendu aux exoplanètes observées par transit et à l’étude de l’évolution thermique et de l’intérieur des exoplanètes. Nous participons également au développement du modèle 3D Generic Planetary Climate Model (Generic PCM), que nous appliquons à l’étude des atmosphères d’exoplanètes et de naines brunes, ainsi qu’aux climats et à l’habitabilité de la Terre primitive et des planètes telluriques.

Contacts : B. Charnay, B. Bézard

3) Base de données et diffusion scientifique

Exoplanet.eu

L’Encyclopédie des Planètes extrasolaires (exoplanet.eu), créée en 1995, contient une base de données des propriétés des exoplanètes et de leur(s) étoile(s) (à peu près 70 paramètres dont masse, rayon, paramètres orbitaux et atmosphériques), des informations sur les recherches en cours (bibliographie, colloques, campagnes d’observation…) et des outils interactifs (diagrammes, observabilité des planètes, stabilité des systèmes planétaires, simulateur d’atmosphères). Elle recense les objets jusqu’à 60 masses de Jupiter : Le portail recense aussi les molécules détectées dans les atmosphères, les disques associés ainsi que les planètes d’étoiles binaires. Les planètes peuvent être confirmées, ou candidates. Ce site s’adresse aux chercheurs ainsi qu’à un public à la recherche d’informations accessibles et fiables.

Contacts : F. Roques, Q. Kral

Sciences pour les Exoplanètes et les Systèmes Planétaires

"Sciences pour les Exoplanètes et les Systèmes Planétaires" est un livre numérique sur les sciences planétaires de niveau licence scientifique équivalant à 250 heures de cours. Le but est de mettre en libre accès des connaissances les plus récentes sur les exoplanètes ainsi que les démarches et les outils utilisés par les chercheurs pour construire ces connaissances. Ces ressources en libre accès, sous licence Creative Commons, sont destinées aux étudiants et aux enseignants de l’enseignement supérieur mais aussi à toute personne souhaitant comprendre la recherche en (exo)planétologie. Ces contenus sont la base de la formation à distance Lumières sur l’Univers-Sciences Planétaires.

Contact : F. Roques

Membres de l’équipe Exoplanètes (nom, pôle, thématique)
Kevin Barjot (thèse) HRAA Interférométrie
Pierre Baudoz HRAA Imagerie haut constrate
Bruno Bézard Planétologie Modélisation des atmosphères / Transit
Anthony Boccaletti HRAA Imagerie haut constrate
Benjamin Charnay Planétologie Modélisation des atmosphères / Transit / Imagerie haut constrate
Antoine Chomez HRAA Imagerie haut constrate
Vincent Coudé du Foresto HRAA Interférométrie / Transit
Athéna Coustenis Planétologie Transit
Pierre Drossart Planétologie Transit
Thérèse Encrenaz Planétologie Transit
Thierry Fouchet Planétologie Transit
Raphaël Galicher HRAA Imagerie haut constrate
Marie-Jo Goupil Etoile Transit
Elsa Huby HRAA Interférométrie / Imagerie haut constrate
Harry-Dean Kenchington Goldsmith HRAA Interférométrie
Pierre Kervella HRAA Vitesse radiale et astrométrie / Interférométrie
Flavien Kiefer (postdoc) HRAA Vitesse radiale et astrométrie / Transit / Imagerie haut constrate
Mehdi Kourdourli (thèse) HRAA Imagerie haut constrate
Quentin Kral Planétologie Modélisation des disques / Base de données Exoplanet.eu
Sylvestre Lacour HRAA Interférométrie / Transit
Iva Laginja (postdoc) HRAA Imagerie haut constrate
Anne-Marie Lagrange HRAA Imagerie haut constrate / Vitesse radiale et astrométrie
Manon Lallement (thèse) HRAA Interférométrie
Laurent Lamy HPA Emission radio
Vincent Lapeyrere Technique Interférométrie / Transit
Emmanuel Lellouch Planétologie Transit
Mathilde Mâlin (thèse) HRAA Imagerie haut constrate
Adrien Masson (thèse) Planétologie Transit
Eric Michel Etoile Transit
Clément Perrot (postdoc) HRAA Imagerie haut constrate
Florian Philipot (thèse) HRAA Vitesse radiale et astrométrie
Daniel Reese Etoile Transit
Françoise Roques Planétologie Base de données Exoplanet.eu
Daniel Rouan HRAA Imagerie haut constrate / Transit
Réza Samadi Etoile Transit
Nour Skaf (thèse) HRAA Imagerie haut constrate
Sophia Stasevic (thèse) HRAA Imagerie haut constrate
Lucas Teinturier (thèse) Planétologie Modélisation des atmosphères / Transit
Philippe Thébault Planétologie Modélisation des disques
Keegan Thomson-Paressant (thèse) HRAA Vitesse radiale et astrométrie
Sandrine Vinatier Planétologie Transit
Christian Wilkinson (thèse) HRAA Modélisation des atmosphères
Philippe Zarka HPA Emission radio