toire spatial JWST (James Webb Space Telescope) qui doit ˆetre lanc´e en 2015.
5.2 Un mod`ele physique de CoRoT-7b
Les diff´erents mod`eles que l’on peut appliquer aux plan`etes d´ecouvertes sont d’au- tant plus vari´es que l’on dipose globalement de peu de contraintes sur ces objets. La photom´etrie des transits permet d’obtenir le rayon, puis la masse de l’objet par la me- sure de la vitesse radiale (lorsque le S/B le permet), le demi grand-axe et parfois l’ex- centricit´e de l’orbite.
En revanche, la composition de l’atmosph`ere (s’il en est une), la nature de la surface des super-terres, la pr´esence de satellites, d’anneaux ou encore la vitesse de rotation de l’objet autour de lui-mˆeme restent inconnus jusqu’`a ce jour.
La d´ecouverte de CoRoT-7b avec CoRoT suscite de nombreuses questions quant `a la nature de cette super-terre. Plusieurs mod`eles assez diff´erents pourraient d´ecrire CoRoT-7b compte tenu de l’incertitude sur sa masse1 et de la d´eg´en´erescence de la relation composition/(masse-rayon).
Je propose dans ce chapitre de montrer, sur l’exemple de CoRoT-7b, qu’il est pos- sible de proc´eder `a des observations qui permettront de qualifier/invalider le(s) mod`ele(s), et par cons´equent de progresser dans notre connaissance de l’objet.
La d´etermination simultan´ee du rayon et de la masse plan´etaire permet de situer la plan`ete dans le plan (R,M) et de la confronter aux pr´edictions th´eoriques des mod`eles de structure interne plan´etaire. Dans le cas de CoRoT-7b, dont le rayon vaut 1,58 ± 0,10R⊕, un mod`ele de plan`ete rocheuse semble le plus probable (fig. 5.1).
Cependant, la possibilit´e d’une plan`ete comportant une fraction importante d’eau ne peut pas ˆetre ´elimin´ee. Nous disposons n´eanmoins d’une information suppl´ementaire : la tr`es petite distance entre la plan`ete (0,017 UA) et son ´etoile (une G9V) qui implique, tr`es tˆot dans l’histoire du syst`eme (moins de dix millions d’ann´ees) :
– une dissipation rapide par effet de mar´ees, circularisant l’orbite, puis synchroni- sant la rotation propre et la rotation orbitale de la plan`ete en particulier.
– un flux du vent stellaire et de rayonnement en extr`eme ultra-violet (EUV) devant fortement ´eroder l’atmosph`ere de la plan`ete.
1. Dans un article en pr´eparation, Artie Hatzes expose un travail r´ecent dans lequel il s’affranchit de la variabilit´e de l’´etoile (dont la p´eriode est de plus de 20 jours) en exploitant les observations en vitesses radiales par paquets de points de mesures pris lors d’une mˆeme nuit : la p´eriode orbitale de CoRoT-7b est de 20 heures (<< 20 jours), ce qui autorise ce type d’approche. Il propose ainsi une nouvelle estimation de la masse de la super-terre : 7,1 ± 0,4M⊕
CHAPITRE 5. ´ETUDE PHYSIQUE DE LA SUPER-TERRE COROT-7B 117
Figure 5.1 - La position de CoRoT-7b dans le diagramme masse-rayon et l’incertitude associ´ee (L´eger et al. 2011). Les courbes repr´esentent les po- sition de plan`etes hypoth´etiques de compositions d´efinies : H2 pur, m´elange (H2, He) avec 75% de H2, plan`ete de glace, plan`ete compos´ee de silicates, ou encore le cas limite d’une plan`ete de Fe pur. Dans la bande gris´ee se trouve l’ensemble des compositions riches en H2O interm´ediaires entre le mod`ele de plan`ete rocheuse et celui de glace. Compte tenu des barres d’erreurs et de la d´eg´en´erescence des mod`eles, la position de CoRoT-7b n’exclut pas totalement la possibilit´e d’une importante pr´esence d’eau, mais la nature rocheuse de la plan`ete semble la plus probable.
5.2.1 Structure interne, surface et atmosph`ere de CoRoT-7b
Structure interne
Le groupe de plan´etologie de Nantes adopte (L´eger et al. 2011) une composition (Si, Mg, Fe, O, Ca, Al, Ni, et S) d´efinie par la m´etallicit´e de l’´etoile, analogue `a celle du Soleil. En supposant une proportion Mg/Fe dans les silicates identique `a la Terre, la structure interne est calcul´ee en suivant l’approche de Grasset et al. (2009). Celle-ci
118 5.2. UN MOD `ELE PHYSIQUE DE COROT-7B est illustr´ee sur la figure 5.2.
Figure 5.2 - Mod`ele de structure interne de la Terre et de CoRoT-7b ; l’´echelle est respect´ee `a l’exception de l’oc´ean de lave dont l’´epaisseur a ´et´e exag´er´ee pour la rendre visible. L’hypoth`ese d’absence d’´el´ement volatil `a la surface de CoRoT-7b conduit `a une surface enti`erement rocheuse, `a l’´etat solide ou liquide suivant les r´egions. Les plus chaudes d’entre elles entourent le point substellaire o`u la temp´erature atteint 2500 K.
Surface et temp´erature
En supposant l’´equilibre radiatif atteint, le flux d’´energie rec¸u en chaque point de la surface plan´etaire (d’origine stellaire et g´eothermique) doit ˆetre ´egal au rayonnement thermique r´e-´emis. En utilisant la loi de Stephan, Femis = σT4, o`u − (1 − A) est l’emissivit´e associ´ee, on peut estimer la carte de temp´erature de CoRoT-7b (fig. 5.3). On se place dans le cas d’un alb´edo nul, pour la raison explicit´ee en §5.3.1
Cette carte de temp´erature indique des valeurs tr`es contrast´ees : un cˆot´e nuit en permanence entre 50 K et 75 K, soit en dessous de la temp´erature de vaporisation de l’azote (`a P = 1 bar), et un cˆot´e jour o`u la temp´erature d´epend tr`es fortement de l’angle z´enithal (θ), de 2500 K au point substellaire (θ = 0) `a 50 - 75 K `a la fronti`ere avec la
CHAPITRE 5. ´ETUDE PHYSIQUE DE LA SUPER-TERRE COROT-7B 119 nuit (terminateur `a θ = 104˚).
La temp´erature de 2500 K est extrˆeme (celle d’un filament de tungst`ene incandescent) et d´epasse la temp´erature de fusion de la roche.
Figure 5.3 - Profil de temp´erature attendu `a la surface de CoRoT-7b en suppo- sant un alb´edo nul et une atmosph`ere tr`es fine ou absente. L’angle z´enithal est d´efini entre l’axe plan`ete-´etoile et le vecteur normal `a la surface plan´etaire en tout point (fig. 5.4). La courbe pointill´ee suppose les rayons stellaires incidents parall`eles, et la courbe pleine consid`ere la taille angulaire finie de l’´etoile. La diff´erence n’apparaˆıt sensiblement qu’autour du terminateur.
Nous pensons donc qu’un oc´ean de roches r´efractaires s’´etend sur une calotte de sph`ere entourant le point substellaire et atteignant les points d’angle z´enithal de 50˚, o`u la temp´erature est celle de la solidification de la composition que nous proposons (L´eger et al. 2011) pour l’oc´ean (2200 K).
L’atmosph`ere
Pour le m´elange r´efractaire de l’oc´ean attendu (L´eger et al. 2011), la pression de vapeur saturante des roches au point substellaire vaut 1,5 Pa, soit plus que 60 000 fois inf´erieure `a la pression atmosph´erique terrestre, et une valeur pratiquement nulle (inf´erieure `a 10−10Pa) sur la face nuit o`u T = 50 − 75K.
L´eger et al. (2011) montrent alors que le transport convectif maximum de cha- leur par l’atmosph`ere ne peut pratiquement pas modifier la temp´erature donn´e par l’´equilibre radiatif. Le contraste de temp´erature entre la face jour et la face nuit de CoRoT-7b est alors inchang´e.
120 5.3. TEST DU MOD `ELE AVEC LE JWST