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Les exoplanètes
- 1. Les exoplanètes Société Lorrained’Astronomie Didier Walliang – 02/09/2017
- 2. La Société Lorrained’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
- 3. Formation du Systèmesolaire
- 4. Au centre :le Soleil
- 5. Autour : desplanètes, astéroïdes et comètes
- 6. Taille du Soleilet des planètes
- 7. Taille des planètesdu Système solaire
- 8.
- 9. Le Soleil etles étoiles proches
- 10. Le Système solairedans la Galaxie
- 11.
- 12. Exoplanète Définition : planètetournant autour d’une autre étoile que le Soleil Définition étendue : planète située hors du Système solaire
- 13. Comment nomme t-onune 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 quela 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 dela 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 dela détection directe 1 – Séparation angulaire très petite Soleil - Jupiter à 100 années-lumière 2 € à 30 km
- 17. Les difficultés dela détection directe 1 – Séparation angulaire très petite Soleil - Terre à 100 années-lumière 2 € à 150 km
- 18. Les difficultés dela 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.
- 19. 1995 : premièredécouverte
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- 24. Détection indirecte :vitesse radiale
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- 29. Les raies dansle spectre
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- 32. Précision de laméthode 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
- 33. Détection indirecte :les transits
- 34. Détection indirecte :les transits
- 35. Autres méthodes dedétection • Microlentille gravitationnelle • Chronométrage • Astrométrie • Imagerie directe 2004 : 1ère photographie optique d'une exoplanète (2M1207 b) par le VLT
- 36. 2008 : coronographiepar Hubble Imagerie directe
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- 40. Nombre d’exoplanètes découvertespar année
- 41. Quelques chiffres (août2017) • 3600 exoplanètes confirmées • 600 systèmes multiples • Entre 2000 et 4500 candidates exoplanètes • Des planètes de plus en plus petites (< taille Terre)
- 43. Mesures que l’onpeut 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 variétéde planètes • Jupiter chauds • Neptune chauds • Mini Neptune • Super-Terre • Planètes-océans • Planètes torrides (> 4000°C) • Des systèmes multiples • …
- 46. Des exoplanètes làoù 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 planèteou une étoile ? Si le critère est la masse => on ne sait pas bien où est la limite
- 48. Une mise enquestion du modèle de formation des systèmes planétaires • Migration planétaire
- 49. Une mise enquestion du modèle de formation des systèmes planétaires • La plupart des exoplanètes sur des orbites excentriques
- 50. Vue d’artiste deHD 209458 b (Osiris)
- 51. Vue d’artiste deHD 188753 Ab (Tatooine)
- 52. Vue d’artiste deOGLE-2005-BLG-390Lb (Hoth) Crédit : ESO
- 53. Vue d’artiste deHD 69830
- 54. Vue d’artiste deProxima Centauri b
- 56. Zone habitable Zone autourd’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).
- 57. Zone habitable enfonction de la masse de l’étoile
- 58. Diagramme de phasede l’eau
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- 61. Résumé et conclusion Début1990 : 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
- 62. Détection possible pardes amateurs
- 63. Détection de HD189733 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 !
- 64. Baisse de luminositéde l’étoile HD 189733
- 65. Découvrez de nouvellesexoplanètes https://www.zooniverse.org/projects/ianc2/exoplanet-explorers
- 66.
- 67. Pour aller plusloin 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/
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- 69. Les projets passéset en cours
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- 71. Corot • France, ESA •Méthode des transits • Lancé en 2006 • 32 exoplanètes découvertes
- 72. Kepler • NASA • Méthodedes transits • Lancé en 2009 • Planètes de type terrestre • 2500 exoplanètes confirmées ! • 5000 candidates • Observe une partie du ciel
- 73. Les projets encours
- 74. SPHERE et leVLT • ESO • 2014 • Imagerie directe des exoplanètes • Mesure du spectre et la polarisation des planètes géantes (+ coronographe et optique adaptative)
- 75. Gaia • ESA • Méthodedes 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
- 76. Les projets àvenir
- 77. Espresso et leVLT • ESO • Fin 2017 • Espresso : vitesse radiale < 0,3 km/h • Pourra fonctionner en interférométrie !
- 78. CHEOPS CHaracterising ExOPlanets Satellite •Suisse, ESA • Lancement : décembre 2017 • Méthode des transits • Mesure taille des exoplanètes connues
- 79. TESS Transiting Exoplanet SurveySatellite • 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 andOscillations 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 JamesWebb • NASA et ESA • Lancement : 2018 • 6,5 m de diamètre • Composition
- 82. Des télescopes géantsà 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 desexoplanètes 3 solutions envisagées : • La coronographie (masquer l’étoile) • Le parasol stellaire (masquer l’étoile) • L’interférométrie dans l’espace
- 84. Darwin • ESA • Etudearrêtée en 2007 • Observation directe • Spectroscopie de l’atmosphère d'une planète
Notes de l'éditeur
- #2 Ceci est une vue d’artiste. Elles sont beaucoup utilisées car on fait très peu de détection directe.
- #4 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
- #5 Le Soleil est une étoile : une grosse boule de gaz chaud, qui émet de la lumière
- #6 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
- #7 Soleil : 99,86 % masse du Système solaire
- #8 Jupiter et Saturne : > 90 % masse restante
- #9 Nuage de Oort (sphère hypothétique) : vers 50 000 UA D’où proviendraient les comètes à longue période
- #10 Etoiles les plus proches à 4 al du Soleil
- #11 200 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
- #12 200 milliards d’étoiles dans notre galaxie (Voie Lactée) Diamètre : 100 000 al Soleil à 27 000 al du centre de la Galaxie
- #13 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
- #16 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’’
- #17 0,15 arcsec
- #18 0,03 arcsec Mieux que la résolution maximale du HST (0,05 arcsec)
- #19 Rapport de flux : Jupiter : 10^-8 Terre : 10^-10
- #20 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
- #24 Télescope de 1,93 m
- #25 Anita
- #33 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
- #34 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.
- #35 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
- #36 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)
- #44 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)
- #45 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
- #46 1396 planètes utilisées sur 3660 Jupiter : 5 UA Neptune : 30 UA, 0,054 masse Jupiter Terre : 0,003 masse Jupiter
- #47 1,4 planète autour des étoiles de type M Une douzaine de planètes errantes détectées (mai 2017)
- #48 < 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)
- #49 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.
- #50 Jupiter excentrique
- #51 1999 : on détecte de l’oxygène et du carbone dans son atmosphère. Son atmosphère est soufflée par l’étoile
- #52 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
- #53 Planète glacée : -223 °C En référence à la planète Hoth dans Star Wars
- #54 Possède 3 planètes et probablement une ceinture d’astéroïdes
- #55 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.
- #56 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
- #57 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
- #59 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
- #60 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/)
- #62 Source des 52 habitables : C&E HS28 (page 22)
- #63 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.
- #64 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.
- #65 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)
- #68 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/
- #73 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 !
- #75 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
- #78 Espresso : vitesse radiale < 10 cm/s La Terre autour du Soleil : 9 cm/s
- #79 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
- #80 2 ans Surveillera 200 000 étoiles But : trouver 500 d’un rayon < 2x celui de la Terre
- #81 Champ 100x celui de Kepler Ciblera des étoiles plus proches et plus brillantes
- #82 Successeur du HST Dispose d’un coronographe et d’un spectromètre Pas uniquement pour les exoplanètes
- #83 European Extremely Large Telescope
- #84 L’interférométrie dans l’espace : on ne maitrise pas la technique pour positionner suffisamment précisément les télescopes
- #85 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)