Magnétisme, activité et interactions magnétosphériques dans les systèmes étoile/planète géante proche

HAL Id: tel-00600939

https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00600939

Submitted on 16 Jun 2011

HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés.

dans les systèmes étoile/planète géante proche

Rim Fares

To cite this version:

Rim Fares. Magnétisme, activité et interactions magnétosphériques dans les systèmes étoile/planète géante proche. Astrophysique [astro-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2011. Français.

�tel-00600939�

THÈSE THÈSE

En vue de l’obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par :l’Université Toulouse III - Paul Sabatier Discipline ou spécialité :Astrophysique

Présentée et soutenue par Rim Fares Le16 Mars 2011

Titre :

Magnétisme, activité et interactions magnétosphériques dans les systèmes étoile / planète géante proche

Jury

Pr. Andrew Cameron University of St-Andrews, Royaume-Uni Examinateur Dr. Claude Catala LESIA, Observatoire de Paris Examinateur Dr. Jean-François Donati IRAP, Université Toulouse Directeur de thèse Dr. Tristan Guillot OCA, Université de Nice-Sophia Antipolis Rapporteur Dr. Claire Moutou LAM, Université de Provence Directrice de thèse Pr. Michel Rieutord IRAP, Université Toulouse Président

Dr. Jean-Paul Zahn LUTH, Université Paris VII Rapporteur Dr. Philippe Zarka LESIA, Université Paris VII Examinateur

Ecole doctorale :SDU2E

Unité de recherche :Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie Directeur(s) de Thèse :J.-F. Donati et C. Moutou

Les planètes extrasolaires en orbite prohe (Jupiter hauds ou Pégasides) sont

soumisesàdefortesinterationsaveleurétoile:rayonnement,eetsgravitationnels,

otdepartiules,hampmagnétique.Laplanète,baignéedanslehampmagnétique

de son étoiletout aulong de son orbite, peut délenher des réations en retour sur

sonétoile,quisemanifesteraientparexempleparuneativitéphotosphériqueinduite

ouune inuene sur lehamp magnétique stellaire par interations de marée.

Auoursde ettethèse,lesuivien spetropolarimétried'un éhantillond'étoiles

htesdeJupiterhaudm'apermisd'étudierlastrutureetl'évolutiondeleurhamp

magnétique par imagerieZeeman-Doppler. Lesétoiles étudiées montrent des ara-

téristiquesmagnétiques similaireselles des étoilesfroides sans Jupiter haud. Mais

pour la première fois, un yle magnétique a été observé pour une autre étoile que

leSoleil. Comparé auyle magnétique solaire, e yle est aéléré, suggérant que

la planète pourrait inuener l'étoile. J'ai également exploré un deuxième moyen

d'étude de l'inuene planétaire sur l'étoile: l'ativité stellaire.

En plus de e travail observationnel, j'ai étudié le hamp magnétique dans la

ouronnestellaire,parextrapolationdesmagnétogrammesde surfae.J'aipualu-

lerainsi le budgeténergétique auniveau de la planète, un ingrédient essentiel dans

laprédition de l'émission radioexoplanétaire eetué pendantette thèse.

Abstrat

Extrasolar planets at small orbital distanes (hot Jupiters)interat with their

hostingstarinseveralways :irradiation,gravitation,owof partilesand magneti

elds. The planet, embedded in the large-sale stellar magneti eld throughout

its orbit, an inuene the star in the form of indued photospheri ativity, or by

inueningthe stellarmagneti eld via tidal interations.

OvertheourseofthisPhD,spetropolarimetriobservationsofasampleofstars

with a hot Jupiter allowed me to study their magneti struture and evolution via

Zeeman-DopplerImaging.Thesestarsshowsimilarmagnetipropertiestootherool

stars without Hot Jupiter. But, for the rst time, a magneti yle on a star other

than the Sun was observed. Compared to the solar yle, this yle is aelerated,

suggestingthat the planet may inuene the stellarmagneti eld. I have alsoused

aseond method tostudy the planet'sinuene on the star : the stellar ativity.

In addition to this observational study, I have examined the oronal magneti

eld by extrapolating the surfae magnetograms. I was thus able to alulate the

magneti budget at the planet's orbit, an important ingredient for my estimations

of the planetaryradio ux.

Quand j'ai ommené larédation, je voulais surtoutérire les remeriements...

Maisletemps venu,je trouve ette partiebien ompliquéeà érire...Il y aura dans

es remeriements des fautes de français,'est normal.Je veux bien être dans ette

partie la Rim de tous les jours, les amis retrouveront ainsi leur Rim à eux. (C'est

long,arohez vous!)

Un très grand meri auLaboratoire d'astrophysique de Toulouse-Tarbes(IRAP

atuellement) dans lequel j'ai eetué la majeure partie de ette thèse. Meri à

Sylvie Roques, diretrie du labo,pour e oup de l m'annonant avoir obtenu le

nanement du ministère (suite au onours). Meri pour toutes es lettres qu'elle

abienvoulu érire,quej'aiadressées àdiérentes ambassades danslebut d'obtenir

des visas pour des onférenes ou des ollaborations internationales. Elle ne s'est

jamaisplainte,meripourça.MeriégalementàPatrikMasart,direteurdel'éole

dotoraleSDU2E.

Jean-FranoisDonati, lejour oùtuaété d'aord pour queje andidate pour la

théseque tu proposais ave ClaireMoutou fut un grand jourpour moi. C'étaitune

onane que vous m'aordiez, meri pour ça. Au lde es trois ans, j'ai appris à

ne pas être juste impresionnée par le sientique que tues, mais plutt de proter

d'êtresibienenadrée. Meripour ton exigene(bienpénibleparfois, maistoujours

très néessaire), 'est ette exigene qui a developpé l'esprit ritique en moi. Meri

aussi pour le super risotto, ilvafalloirque tume les lareette!

Claire Moutou, un très grand meri d'avoir toujours été là, bien que loin en

distane. Meri pour toutes es idées que tu m'a proposées, pour avoir organisé

plusieursworkshops (sous la neige même).Tes aueils à Marseille m'ont à haque

foisfaitsentirhez moi.Meri égalementde m'avoirprésentétapetite Romane,j'ai

adorée jouer ave elle. Meri aussi pour es soirées à la maison, le très bon pain

(meriRobert) et lefromage.

MeriàPasalPetit,quim'ainitié auode d'imageriemagnétique pendantmon

stage de Master et au tout début de ette thèse. Meri à toi Pasal pour diverses

disussions sientiques, pour les blagues à midi, pour avoir aidé à me remonter le

moralquand j'étais fatiguée.

MoiraJardine, ton aueilà St-Andrews m'a permis de me laner dans un nou-

veau domainesientique, equiaapportéune rihesseàmathèse.Meri àAndrew

Cameron pour avoir été très exible sur ledébut de mon post-do,et pour m'avoir

permisde nir larédation(en parallèleave lepostdo)dans lesmeilleuresondi-

tions.

Un grand meri àtous lesmembres de mon jury de thèse. Meri également aux

gens ave qui j'ai ollaboré pendant ette thèse, et qui sont bien nombreux.. Meri

àJean-MathiasGriessmeier etPhilippeZarkapourlesdisussion radio.Lesgens de

l'IRPHEde Marseille (les bretonsen partiulieret David!) pour les disussions sur

les instabilités elliptiques. Jean-Paul Zahn et Stephan Mathis pour les disussions

sur les eets de marées. Et évidemment meri pour les o-auteurs de mes papiers

ave qui j'ai eu pas malde disussions. Meri aussi aux équipe PSE de Toulouse et

PASI de Marseillepour leur aeuil.

Je me suis installée dans un bureau très spéial pendant ma thèse, le bureau

des lles (mais il y a eu des exeptions!). Marion, meri pour ton humour, notre

ressemblane (un peu trop malorganisées) et pour lessoirées à lamaison.Mélanie,

magrande Mélanotte, meri pour qui tu es! Pendant es quatre années j'ai appris

à mieux te onnaître, meri de m'avoir donné ette hane. Meri pour tous es

moments au bureau et ailleurs, pour es oups de ls et es disussions sans n..

Meri de me onsidérer omme ta petite Roumroum; je le sais, je peux toujours

ompter sur toi! Meri magrande! Le premier jour d'arrivée de Jérme au bureau

étaitexeptionnel, je devaisrester muette toutelajournée pour pas gênerle nouvel

arrivant.. Un mal de tête horrible vers 17h! Jérme, meri pour nos disussions

sientiques, pour nos disussions tout ourt, pour ton optimisme et pour m'avoir

rassurée pendant lesmomentsdurs. Maria, Marititta,toujours almeet rassurante,

estl'avant-dernièrearrivanteaubureau. Très sourianteetadorable,meripour tous

es moments partagés, es longues disussions de lles, es super soirées en ville,

et beauoup d'autres hoses! Et bonne hane ave la thèse.. Vinent, t'étais le

stagiaire ool du bureau, meri pour ton invitation à la piee de théâtre, Maria et

moinous sommesélatées àdéouvrir ton petit village!

Cristina,ta dernière année à Toulouse m'a fait adoré ette ville. Meri pour tes

onseils,pourtonaetion,pournossorties(aveMaria!),laoupedumonde(même

si l'Allemagnea perdu!). Meri pour es soirées ave Juan-Carlos à Saint Georges,

es longues disussions,et surtout, meri pour ton retourpour masoutenane!

J'aipartagéave plusieurspersonnes des momentsformidablesen Frane,meri

àelles! Sylvieet ses histoires rigolotes,Sylvain etses esapades au States, Mihael

(bon ourage Mihaelou! je pense fort à toi), Mairead (soirées pub iralandais! St

Patrik et autre), David (longues disussions sur le net et déouverte de Paris),

Fabrie et Aniss, Valérie.. Meri aux dotorants, je ne vais pas lister les noms, ar

mesremeriementsfontdéjà3pages:-)UntrèsgrandmeriàJulienetThomas,mes

sauveursenpython (entresautres)!Meri pourlessoiréesdotorants,lesbarbeues,

lesinvitationsà lamaison.Faire une thèse en étantentourée de dotorantset post-

dos magniques est une hane! Meri à vous tous.. Meri à Robert et Maxime

pour es quelques soirées en ville,et l'expérieneinox qui m'a terriblementplu!

Aurélie, tu rois que je t'ai oubliée, hein? Je trouve pas les mots là, par où

ommener, et omment nir.. Meri pour es années partagées, les innombrables

pauses-afé, lessoiréesimpro, lesdisussions de lles jusqu'à3hdu mat, .... Bonne

hane pour la suite!

Gaël,meri d'avoir étélà!Meri pour lespauses-afés, lesemails,les onseils,le

voyage auLiban et en Syrie, ledéménagement àté de hez moi, lesrepas le soir,

etde m'avoirbien taquinée!

Jen'oubliepas de remeriermeslibanaisde Toulouse.Khalil,Assia,Lara, Ayad,

ElianaetMadeleinemerid'avoirétélà,mêmequandj'étaisinsupportable(Wissam

aussi, au tout début de la thèse). Meri pour la motivation d'aller boire un verre

en ville à minuit (Khalil surtout), les longues disussions politiques, votre bonne

humeur,et vos plats libanais!Meri pour les week-ends dans diérentes villes fran-

aises, le amping, et l'aetion qui me faisaient sentir que je ne suis jamais seule

ii! Meri égalementà Hani,Fadia, Chadia etMounir!

DepuisleLiban,desamism'envoyaientdesondespositivesenpermanene.Meri

partiulièrement au groupe de la fa ave qui j'ai passé les meilleures années de

ma vie à Beirut, et des merveilleuses soirées et journées quand je rentrais. Meri

d'avoirtoujoursété dispos,etd'avoirtoujoursorganisévosvaanes en fontiondes

miennes! Salma, Layal, Gina, Sarjoun, Leo, Toni, Tou, Farid, Jamil,Radwan, je

vous adore! Meri pour votre support permanent.

Viennent ennles plus préieuxremeriements,eux quej'adresse àmafamille.

Meri partiulièrement à mon onle Joseph et tante Antoinette. Votre support et

amourm'ontaidéàavaner.Meriàlafamilledemonparrain,onétaittoujoursune

seule famille, meri inniment. Neemat, Majd et Ghadi, que le futur vous apporte

de bonnes hoses.

Maman,jenetediraijamaisassezmeri.Avoirdédiétaviepourmasoeuretmoi

est un grand sarie, j'espère qu'on est à la hauteur. Je t'adore, tu es mon idole.

Rana, je t'adore ma grande, meri d'être la soeur que tu es. Maman et toi m'avez

bienentouréed'amour,enouragéeenpermanene,etequejesuisaujourd'hui'est

grâeà vous. Millemeri!

Mon parrain, je me rappelle enore de la joie dans tes yeux quand j'ai eu la

bourse de thèse. Cetteerté m'est trop hère. C'est dur quetu soisparti, etque tu

m'a pas vu Dr. Jet'aime.

Papa, être talle est une responsabilitéet une erté. Tu es parti vraiment trop

tt, j'espère que situ étais là,tu serais er de tapetite. Tu me manques.

A vous deux, mon papa et mon parrain,je dédie ette thèse.

1 Introdution 3

1.1 Planètes extrasolaires : histoireet statistiques . . . . . . . . . . . . . 3

1.1.1 Les Jupiter hauds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Les marées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Interations magnétosphériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Étude des hamps magnétiques stellaires 15 2.1 Polarisationde la lumièreetparamètres de Stokes . . . . . . . . . . . 15

2.2 Eet Zeeman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 Détetion de hamp magnétique stellaire . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3.1 Spetrosopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3.2 Spetropolarimétrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4 Mesures spetropolarimétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4.1 Instrumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4.2 Extration optimaledes spetrespolarisés . . . . . . . . . . . 24

2.4.3 Déonvolution moindres-arrés . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5 Imagerie tomographiqueZeeman-Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.5.1 Prinipes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.5.2 Desription du hampmagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.5.3 La reonstrution du hamp magnétique . . . . . . . . . . . . 30

2.5.4 Contraintes sur lesparamètres stellaires . . . . . . . . . . . . 32

3 Étude spetropolarimétrique 35 3.1 Éhantillonstellaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2 Données spetropolarimétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.3 Topologies magnétiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.4 Rotation diérentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.5 Cyle magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

1

4 Ativité hromosphérique 55

4.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.2 Ativité stellaire :mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.3 La variabilitéstellaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.4 Reherhe d'une modulationde l'ativitérésiduelle . . . . . . . . . . 63

4.5 Résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.6 Conlusion et disussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5 Par delà la hromosphère 69 5.1 Extrapolation du hamp dans la ouronne . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.1.1 Desription du ode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.1.2 Exemples d'extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.1.3 Calul du budget énergétique au niveau de la planète . . . . . 73

5.2 Estimationdu uxradio dû àune interation . . . . . . . . . . . . . 77

Conlusion et perspetives 82

Bibliographie 135

Introdution

La déouverte des planètes extrasolaires a initié plusieurs domaines d'étude en

astrophysique, pour omprendre notamment leur formation, évolution et struture

interne, et lesinterations que peuvent avoir es planètes ave leur environnement.

Pendant ette thèse, je me suis intéressée en partiulier à l'étude des interations

entre les jupiter hauds et leur étoile hte. Dans e premier hapitre, je vais pré-

senter une vue d'ensemble sur les planètes extrasolaires pour passer ensuite au as

partiulier des Jupiter hauds. J'évoquerai ensuite les diérentes interations qui

peuventavoir lieuentre laplanèteetson étoile hte,d'un pointde vuethéorique et

observationnel.

1.1 Planètes extrasolaires : histoire et statistiques

En 1995, Mayor & Queloz (1995) déouvrent une planète extrasolaire autour

d'uneétoile froide. Bien que e ne soit pas lapremière planètedéouverte (Latham

etal.,1989;Wolszzan &Frail,1992),ette annone amarquéune nouvelleépoque

dans ledomained'exoplanètes, notammentà ausedu progrèstehnique qui a per-

mis,depuis1995, de déouvrir

506

Diérentestehniquespermettentladétetiond'exoplanètes.Lesplusfrutueuses

atuellement sont la véloimétrie(mesure des vitesses radiales,VR) et laphotomé-

trie (observation des transits planétaires, Trans). La première onsiste à mesurer

les variations de vitesse radiale de l'étoile induite par la présene d'une planète en

orbite. Les deux orps orbitent autour du entre de gravité du système, e qui a

pour eet d'introduire des variations périodiques dans la ourbe de vitesse radiale

de l'étoile. La méthode photométrique des transits onsiste à étudier la baisse du

uxlumineuxd'une étoilegénérée parlepassagede laplanètedevant ledisque stel-

laire. Suite aux progrès instrumentaux, es deux méthodes ont permis de déteter

93%

gné en quelques déennies plusieurs ordres de grandeur. Des spetrographes de très

hauterésolution permettentde déteter desvariationsdevitesse radialede quelques

ms

−1

, et jusqu'à

< 1

sont possibles grâe àdes tehniques telle latehnique de "Thorium simultané",où

une bre optique ahemine le faiseau stellaire dans le spetrographe et une autre

breoptique aheminelefaiseau d'unelampede alibration (souvent de Thorium-

Argon). Le spetrographe est stabilisé en température, la dérive de l'instrument

mesuréesur lesraies delalampeThorium-Argonestonsidérée identiqueàellesur

le faiseau stellaire, permettant ainsi des mesures de vitesse radiale ave une très

bonne préision. Citons le spetrographe HARPS (Pepe et al., 2002; Mayor et al.,

2003; Pepe et al., 2004) sur le télesope de 3.6 m de L'ESO à la Silla (hémisphère

sud) et Sophie (Bouhy & The Sophie Team, 2006; Perruhot et al., 2008) installé

surletélesopede 1.93màl'observatoirede Haute-Provene (hémisphèrenord).La

méthode photométriquedestransitsest exploitéepar des projetsausol(e.g.WASP

(Kane et al., 2003)) et des missions spatiales (Corot/ESA (Baglin et al., 2006) et

Kepler/NASA(Boruki et al.,2009)).

Les paramètres des systèmes planétaires peuvent être déduits des mesures, en

partiulierlapériodeorbitale,l'exentriité,ledemi-grandaxedel'orbiteetlamasse

de la planète. Dans le as de mesure de vitesse radiale, nous mesurons la masse

minimaledelaplanète

M

sin i

lamasse planétaire exate etle rayon de la planète peuvent être déduits, ainsi que

l'angleentre l'axede rotationde l'étoileetelui de l'orbiteplanétaire grâe àl'eet

Rossiter-MLaughlin (Ohta etal.,2005; Winn, 2007).

Les aratéristiques des planètes sont assez variées. La gure 1.1 montre la dis-

tribution masse/demi-grand axe (noté a) de l'orbite pour les planètes déouvertes

parVRetTrans.

25 %

a < 0.1

Pégasides. De par leur proximitéà l'étoilehte, es planètes ont une probabilité de

transitsupérieure àelle des planètes plus éloignées. Lavariationde vitesse radiale

due àes planètes est importante, étant donnéleur proximitéetleur grandemasse,

e qui rend leur détetion plus faile que elle des planètes moins massives et plus

éloignées.Eneet, lavariationde vitesse radialeinduiteparune planèteest donnée

par :

K[m/s] = 203. m[M X ] sin i M

[M

].P

[j]

(1.1)

Jupiterproduitune variationde vitesse radialedu Soleilde 13ms

−1

, un Jupiter

haudde 1massede Jupiteretde période orbitalede 10joursorbitantautourd'une

étoilede 1masse solaire produit une variation de vitesse radiale de

∼ 100

unesuperterrede

1.9 M

3.15