La détection directe

(1)

La révolution des exoplanètes

Guillaume Hébrard

CNRS Institut d’astrophysique de Paris Observatoire de Haute-Provence

3 août 2014

Festival d’astronomie de Fleurance

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Comment détecter

une planète extra-solaire ?

(8)

La détection directe

1.   Une séparation angulaire minuscule

2 énormes difficultés

(9)

Soleil-Jupiter à 4 années-lumière 

à 4 secondes d’angle (= 1/900 degré)  à 1 main vue à 3 km !

(10)

Soleil-Jupiter à 100 années-lumière  à 0,15’’ (= 1/24 000 degré) 

à 1 main vue à 200 km !!

Soleil-Terre à 100 années-lumière  à 0,03’’ 

à 1 main vue à 1000 km !!!

(11)

Soleil-Jupiter à 100 années-lumière  à 0,15’’ (= 1/24 000 degré) 

à 1 main vue à 200 km !!

Soleil-Terre à 100 années-lumière  à 0,03’’ 

à 1 main vue à 1000 km !!!

(12)

La détection directe

2 énormes difficultés

1.   Une séparation angulaire minuscule

2.   Un gigantesque contraste en luminosité

(13)

là

L’étoile est jusqu’à 10 000 000 000 plus brillante que la planète !

(14)

1995 : Observatoire de Haute-Provence

(15)

Photo : Hervé Dole

(16)

La détection indirecte

« l’étoile perturbée »

(17)

L’étoile perturbée

mesurer la perturbation gravitationnelle induite   par la planète sur son étoile

Ü le lanceur de marteau

(18)

Mark Thiessen - Lance Deal - National Geographic (décembre 2004)

(19)

-100 -50

0 50 100

-100 -50 0 50 100

µas

2050 2000

2010

2020 2030

2040

Mouvement du Soleil à 100 pc

(20)

L’étoile perturbée

(21)

Effet Doppler :

mesure de la vitesse des astres

(22)

L’effet Doppler

fréquence f₀

Δf Δf

Δf est proportionnel à la variation de vitesse radiale de l’étoile

la variation de vitesse radiale de l’étoile est proportionnelle à la masse de la planète

(23)

Décalage Doppler dû à

l’oscillation de l’étoile

étoile-hôte

exoplanète

(24)

Décalage Doppler dû à

l’oscillation de l’étoile

(25)

51 Pegasi b

1995 : Michel Mayor & Didier Queloz

jours

vitesse radiale (km/s)

(26)

“jupiters chauds”

(27)

Méthode des vitesses radiales

Décalage Doppler dû aux oscillations de l’étoile

€

K = m sin i M

_*

+ m

( )

^{2 3}

^×

2 π ^G

( )

^{1 3}

P

^{1 3}

1 − e

²

m << M_* et e = 0 :

€

K = 203 m sin i M

_*^{2 3}

P

^{1 3}

K(m/s) m(M_Jup) M_*(M_Sun) P(jours)

Jupiter chaud : +/- 100 m/s sur quelques jours Jupiter : +/- 12 m/s sur 12 ans Terre : +/- 9 cm/s sur 365 jours

(28)

47 UMa

V it es se ra di al e (m /s )

(29)

Upsilon Andromedae b

V it es se ra di al e (m /s )

(30)

Upsilon Andromedae c, d : les deux planètes externes

V it es se ra di al e (m /s )

Planète à 4,6 jours enlevées

(31)

(32)

Le spectrographe HARPS

(33)

le spectrographe

de l’Observatoire de Haute-Provence

(34)

Il pleut des planètes !

exoplanètes

systèmes exoplanétaires systèmes multiples

1811 1126

466

3 août 2014

(35)

http://nameexoworlds.org

(36)

(37)

(38)

!"#$%& '% ()%*+,(#-./% 0 123/+42& 56 #7 "+"%-/ '%& '%7* '8/%3/2+-& #9%3 %/ &#-& #--+/#/2+-: ; <=> ?

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(39)

L’étoile occultée

Éclipse de Soleil, ou passage de la Lune, 5 octobre 2005

Éclipse d’une étoile,  

passage, occultation ou transit d’un objet devant une étoile

(40)

L’étoile occultée

Passage de Vénus, juin 2004

Dernier transit de Vénus :

•  le matin du 6 juin 2012 en France.

Prochain transit de Vénus :

•  11 décembre 2117.

(41)

(42)

L’étoile occultée

L’étoile apparaît   moins brillante  

lors d’une occultation

(43)

L’étoile occultée

(44)

Transits

Brillance

Temps

(45)

Transits

brillance

étoile planète

temps

(46)

HD 209458

(47)

Occultation de HD 209458

Flux relatif

Temps (jours)

(48)

Vitesse radiale / Occultations

Période = 3,524738 jours

Masse = 0,69 ± 0,05 M_Jupiter

Rayon = 1,35 ± 0,04 R_Jupiter

Densité = 0,35 ± 0,05 g/cm³

HD 209458b

Temps (heures)

Flux relatif

(49)

Flux relatif

Temps (jours)

Un Jupiter devant un Soleil

Profondeur du transit ?

1 %

è R_Jupiter = 0,1 R_Soleil

(50)

Temps (jours)

Profondeur du transit ?

1 %

Une Terre devant un Soleil

0,01 %

Un Jupiter devant un Soleil è R_Jupiter = 0,1 R_Soleil è R_Terre = 0,01 R_Soleil

Flux relatif

(51)

Profondeur du transit ?

1 %

Une Terre devant un Soleil

0,01 %

Un Jupiter devant un Soleil è R_Jupiter = 0,1 R_Soleil è R_Terre = 0,01 R_Soleil

Temps (heures)

Flux relatif

(52)

Sondages photométriques au sol pour rechercher des planètes en transits

(53)

(54)

CoRoT-7b :

première super-Terre avec mesure de masse et de rayon

5 masses terrestres 1,7 rayon terrestre Densité : 5,5 g/cm³ (Jupiter : 1,3 / Terre : 5,5)

(55)

CoRoT-7b :

première super-Terre avec mesure de masse et de rayon

5 masses terrestres 1,7 rayon terrestre Densité : 5,5 g/cm³ (Jupiter : 1,3 / Terre : 5,5)

0,03 %

(56)

CoRoT-9b :

un Jupiter en transit sur une orbite similaire à celle de Mercure

19.76 19.78 19.80 19.82 19.84

4750 4800 4850 4900 4950 5000 5050 5100

−40

−20 0 20 40

CoRoT−9 HARPS

. .

RV [km/s]

JD − 2450000.0 [days]

O−C [m/s]

. .

−0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1

−40

−20 0 20 40 60

CoRoT−9 HARPS

φ

RV [m/s]

. .

P = 95,2738 +/- 0.0014 jours e = 0,11 +/- 0.04

M_p= 0,84 +/- 0.07 M_Jup R_p = 1,05 +/- 0.04 R_Jup

(57)

Le satellite

Kepler

(58)

Kepler-9

TTV : Tr ansit Tim ing V ariat ions

Jours

F lux

(59)

Kepler-9b et c

P = 19,2 jours r_p = 0,84 R_Jup

P = 38,9 jours r_p = 0,82 R_jup

2:1

m_p = 0,25 M_Jup m_p = 0,17 M_Jup

Flux

Jours Jours

Flux

(60)

Kepler-9d

P = 1,5925 d r_p = 1,5 R_Terre K = 1,5 m/s ?

F lux

Jours

0,025 %

(61)

KOI-142b : super-Terre en transit, de 10,95 jours de période.

KOI-142 : la reine des TTV

Énormes TTVs

Prédiction de KOI-142c

(P=22,34j & 0,7 M_Jup) Détectée en vitesses radiales

Vitesse radiale (km/s)

Jours

(62)

Kepler-11

Flux

(63)

P = 10,3 j r_p = 2,0 R_Terre m_p = 4,3 M_Terre

P = 32,0 j r_p = 4,5 R_Terre m_p = 8,4 M_Jup

P = 46,7 j r_p = 2,6 R_Terre m_p = 2,3 M_Jup P = 118,3 j r_p = 3,7 R_Terre m_p < 300 M_Jup

0,03%

0,08% 0,10%

0,14% 0,05%

0,12%

Flux

(64)

Kepler-11

(65)

Nombre de planètes découvertes par année

(66)

(67)

Les petites planètes sont très nombreuses !

Nombre de planètes par étoile (période < 50 jours)

Rayon des planètes (R_Terre)

(68)

(69)

(70)

(71)

?

Hydrogène (H) Deutérium (D)

Hydrogène moléculaire (H₂) Carbone (C)

Azote (N)

Oxygène (O) Fer (Fe)

H + O + C + N

(72)

?

Azote (N)

H + C + N + O Spectre du Soleil

(73)

?

Azote (N)

H + C + N + O Spectre du Soleil

(74)

Vénus

Terre

Mars

(75)

La Terre vue comme une exoplanète

Éclipse de Lune

(76)

La Terre vue comme une exoplanète

Éclipse de Lune du 16 août 2008

O

₂

Na ^I

O

₃

{

^SOPHIE

(77)

La détection directe

La révolution des exoplanètes

Guillaume Hébrard

Comment détecter

une planète extra-solaire ?

La détection directe

1. Une séparation angulaire minuscule

2 énormes difficultés

La détection directe

2 énormes difficultés

1. Une séparation angulaire minuscule

2. Un gigantesque contraste en luminosité

1995 : Observatoire de Haute-Provence

La détection indirecte

« l’étoile perturbée »

L’étoile perturbée

mesurer la perturbation gravitationnelle induite par la planète sur son étoile

L’étoile perturbée

Effet Doppler :

mesure de la vitesse des astres

L’effet Doppler

Décalage Doppler dû à

l’oscillation de l’étoile

Décalage Doppler dû à

l’oscillation de l’étoile

51 Pegasi b

“jupiters chauds”

Méthode des vitesses radiales

€

K = m sin i M

+ m

( )

×

2 π G

( )

P

1 − e

€

K = 203 m sin i M

P

V it es se ra di al e (m /s )

Upsilon Andromedae b

V it es se ra di al e (m /s )

Upsilon Andromedae c, d : les deux planètes externes

V it es se ra di al e (m /s )

Le spectrographe HARPS

Il pleut des planètes !

exoplanètes

systèmes exoplanétaires systèmes multiples

1811 1126

466

http://nameexoworlds.org

L’étoile occultée

L’étoile occultée

L’étoile occultée

L’étoile occultée

Transits

Transits

Occultation de HD 209458

Vitesse radiale / Occultations

HD 209458b

Profondeur du transit ?

1 %

Profondeur du transit ?

1 %

0,01 %

Profondeur du transit ?

1 %

0,01 %

0,03 %

Le satellite

Kepler

Kepler-9

TTV : Tr ansit Tim ing V ariat ions

Jours

F lux

Kepler-9b et c

2:1

Kepler-9d

F lux

1.   Une séparation angulaire minuscule

1.   Une séparation angulaire minuscule

2.   Un gigantesque contraste en luminosité

mesurer la perturbation gravitationnelle induite   par la planète sur son étoile

^×

2 π ^G

Na ^I