LES PLANÈTES EXTRASOLAIRES

1. LES PLANÈTES EXTRASOLAIRES Danielle Briot Observatoire de Paris

2. A LA RECHERCHE D'AUTRES MONDES Quelques rappels historiques Le débat sur la multiplicité des Mondes remonte à l'antiquité classique. Les philosophes grecs Démocrite et Epicure et le poète latin Lucrèce défendent l'existence d'autres mondes habités : "Les mondes sont illimités et différents en grandeur : dans certains il n'y a ni Soleil ni Lune, dans d'autres, Soleil et Lune sont plus grands que chez nous, et dans d'autres il y en a plusieurs. Les intervalles entre les mondes sont inégaux et dans certains endroits du cosmos, il y en plus, alors qu'il y en a moins dans d'autres." Démocrite ( 470 - 365 av. J.C.)

3. "Il existe des mondes infinis semblables et différents du nôtre." Epicure, disciple de Démocrite, (342 - 270 av. J.C.) Lettre à Hérodote Platon et Aristote sont d'un avis contraire : "… S'il en est ainsi, le ciel doit nécessairement être un et non multiple." - Aristote (384 - 322 av. JC)

4. Saint Augustin ( 354 - 430) fut parmi les premiers auteurs chrétiens à discuter cette idée, à laquelle il était opposé, comme la plupart des auteurs du Moyen-Age, y compris Albert le Grand (1193 - 1280) et Thomas d'Aquin (1225 - 1274). Plus tard, le système héliocentrique introduit par Copernic impliqua que notre Terre fut considérée comme une planète parmi d'autres. Peu à peu on en vint alors à considérer les étoiles comme d'autres soleils que beaucoup d'auteurs supposaient entourées de planètes habitées.

5. A la fin du XVIème siècle, Giordano Bruno (1548 - 1600) à partir d'une démarche théologique défendit la multiplicité des mondes, peuplés d'une multiplicité de vies : "C'est ainsi que l'excellence de Dieu se trouve magnifiée et se manifeste la grandeur de son empire. Il ne se glorifie pas dans un seul, mais dans d'innombrables soleils, non pas en une seule Terre et un monde mais en mille de mille, que dis-je ? une infinité [de mondes]"

6. Galilée (1564 - 1642) et Descartes (1596 - 1650) furent beaucoup plus prudents à ce sujet, ainsi que Képler (1571 - 1630). En 1686, Fontenelle (1657 - 1757) publia "Entretiens sur la Pluralité des Mondes": "Les étoiles sont autant de soleils dont chacun éclaire un monde."

7. « La pluralité des Mondes »

8. Au XVIIIème siècle, l'existence de la vie sur d'autres planètes était couramment acceptée par les astronomes : "Les cieux sont semés de corps lumineux qui, semblables à notre soleil, font vraisemblablement rouler des planètes dans différentes orbites." Condillac, « Cours d'étude pour l'Instruction du prince de Parme » (1775)

9. et maintenant…. Depuis 1995, nous avons la réponse à l’une des questions les plus importantes de l’astronomie : Existe-t-il des planètes autour d’autres étoiles que notre Soleil ? Aujourd’hui, 27 août 2008, nous connaissons 306 exoplanètes. Pour toute information, voir le site : http://exoplanet.eu/ mis à jour quotidiennement

10. Une très longue recherche : Ainsi, la question de la multiplicité des Mondes se pose depuis très longtemps. Mais les planètes ne se laissent pas facilement détecter. Leur seule lumière est la lumière qu’elles reflètent de leur étoile et qui est environ un million de fois moins brillante que la lumière de l’étoile. Elles sont « noyées » dans la lumière de l’étoile, et donc invisibles.

12. On utilise donc un moyen détourné, et on regarde l’effet produit par la planète sur l’étoile. La masse de la planète implique que le centre de gravité du système - planète + étoile -, n’est plus exactement au centre de l’étoile, et donc l’étoile ne se déplace pas exactement en ligne droite et sa vitesse n’est pas tout-à-fait constante.

13. Méthodes de détection Les planètes réfléchissent la lumière du Soleil • Méthodes indirectes : • Déplacement de l’étoile • Variation de vitesse radiale • Transit planétaire • On ne peut pas voir directement les planètes avec les méthodes actuelles.

14. Mouvement autour du centre de gravité Centre de gravité fixe

15. Planète Etoile Centre de gravité

16. Astrométrie : Mouvement propre 1950 1997 Etoile de Barnard Si l’étoile a une planète, le déplacement ne se fera en ligne il y aura une oscillation

17. Etoile double : Sirius Peter Van de Kamp Pas assez sensible pour la détection des planètes Etoile de Barnard : Van de Kamp (~1970) Lal 21185 : 2 planètes ? (Gatewood 1997)

18. Effet Doppler - Fizeau Fizeau Doppler

19. La méthode des vitesses radiales De l’ordre de 50 à 100 km/h A : étoile B : planète invisible

20. Découverte de la première planète extra-solaire en Novembre 1995 autour de l’étoile 51 Peg

21. Télescope de 1,93m de l’Observatoire de Haute Provence

22. 51 Peg b SpectrographeElodie Précision de l’ordre de 30 km/h Michel Mayor et Didier Queloz

23. Variations périodiques des Vitesses Radiales de 51 Peg

24. Le spectre de 51 Peg

25. Une étonnante planète…. • Une très grande surprise lors de la découverte de la première planète extra-solaire 51 Peg b fut sa période, de 4.2 jours.

26. Une étonnante planète…. 3ème loi de Képler : « Le carré de la période de révolution d’une planète est proportionnel au cube du demi grand-axe de son orbite.» Ce qui signifie que, si l’on connaît la période d’une planète, on peut connaître sa distance à l’étoile. Or, une période de 4,2 jours implique une distance à l’étoile de : 0,052 Unité Astronomique, soit une distance environ 20 fois plus petite que la distance Terre-Soleil

27. Képler

28. Une étonnante planète…. La masse de la planète 51 Peg b est égale à 0.468 MJupiter. Ce qui signifie qu’il s’agit d’une planète géante. Or, les scénarios de formation que nous connaissions impliquaient que les planètes géantes ne peuvent se former que très loin de leur étoile. C’est une des plus grosses surprises que nous a apportées la découverte de 51 Peg b.

29. Evolution des découvertesdepuis la première planète extra-solaire 1995 Walker et al. : programme de 21  rien 1995 Mayor et al. : programme de 142   51Peg Marcy et Butler: programme de 120   + 5 nouvelles planètes Avril 1999 : 20 planètes  And : système de 3 planètes Novembre 1999 : premier transit photométrique Septembre 2004 : première planète découverte par imagerie Mars 2005 : deux "anti-transits" observés

30. Actuellement, Ensemble des catalogues : 306 planètes Dont essentiellement Exoplanètes détectées par vitesses radiales: 248 systèmes planétaires 249 Planètes 29 systèmes planétaires multiples

31. Et aussi : Exoplanètes détectées par transit : 52 Planètes Exoplanètes détectées par microlentille : 7 Planètes Exoplanètes détectées par imagerie : 5 Planètes Exoplanètes détectées par chronométrage : 3 systèmes planétaires 5 Planètes 1 système planétaire multiple

32. Etudes actuelles Le nombre de planètes extra-solaires connues est suffisant pour nous permettre d’en dégager les propriétés générales. Certaines de ces propriétés générales sont tout-à-fait inattendues, elles posent de nombreuses questions et nous obligent parfois à revoir les connaissances acquises auparavant. Nous pouvons déjà dire que nous n’avons pas encore trouvé de système planétaire ayant les mêmes propriétés que notre système solaire.

33. Ce qu’on connaissait : Jusqu’en 1995, un seul exemple connu : le Système Solaire. C’est à dire une étoile « froide », avec un système planétaire composé de • 4 petites planètes rocheuses proches du Soleil, et donc avec de courte périodes. • 4 grosses planètes gazeuses, plus loin du Soleil et aussi : • La Ceinture des Astéroïdes entre Mars et Jupiter • La Ceinture de Kuiper : objets transneptuniens • et les comètes……

34. Quelques propriétés des planètes extrasolaires. On s’attendait à : des planètes à longue période, à grande distance de leur étoile On a trouvé : des planètes en grand nombre très proches de leur étoile. On s’attendait à : des planètes avec des excentricités très faibles On a trouvé : des planètes avec des excentricités qui peuvent être très grandes.

35. Les périodes des planètes extra-solaires Dans le système solaire, les planètes « géantes » sont à longue période, donc loin de l’étoile Soleil. Les modèles de formation du système solaire expliqent la formation de telles planètes à partir de cristaux de glace, ce qui nécessite une formation dans un milieu très froid.

36. Les périodes des planètes extra-solaires Situation actuelle • Il existe de nombreuses planètes avec d ≤ 0.1 AU • Biais observationnel (qui diminue avec le temps) • Configuration inattendue • Il existe une accumulation P  3j, 3.5j, qui ne résulte pas d’un biais observationnel (résultat différent de ce qui est observé pour les étoiles doubles) • Les théories existantes en 1995 montraient qu'il n'est pas possible de former des Jupiters en deçà de la trajectoire de Jupiter (cœur de glace)

37. Les périodes des planètes extrasolaires (jusqu’à 1000 jours)

38. Les périodes des planètes extrasolaires (jusqu’à 10 jours)

39. Solutions possibles Migration : • Interaction gravitationnelle de la planète avec le disque de poussières dans lequel elle se déplace. • Interaction gravitationnelle de la planète avec un autre compagnon Mais il faut alors expliquer le phénomène de freinage:  Cavité magnétosphérique du disque d'accrétion - Interaction de marée étoile/planète - Débordement du lobe de Roche de la planète qui entraînerait un mouvement vers l’extérieur - Interaction étoile/planète - Photo-évaporation du disque par le rayonnement de l’étoile centrale, provoquant un vide près de l’étoile - Autre hypothèse: formation in-situ

40. Masses des planètes extrasolaires Les masses des planètes sont déterminées à partir de la théorie de la gravitation (Newton). Cependant, les masses des planètes sont déterminées « modulo » l’inclinaison du système par rapport à l’observateur. Ne pas oublier que les planètes de « petite masse », planètes de masse terrestre, ne peuvent pas pour l’instant être déterminées à partir de variations de vitesses radiales, parce qu’insuffisantes.

41. Distribution des masses des planètes extra-solaires

42. Masses des planètes extrasolaires

43. Planète ou étoile double ? Problème de masse limite entre planète et naine brune : On considère : Mpl < 13 MJup : on a une planète M* > 70 MJup : on a une étoile Entre ces deux masses : c’est une naine brune Mais la répartition des masses montre un « déficit » pour les masses correspondant aux naines brunes : le « désert des naines brunes ». Ce résultat laisse nettement penser que les processus de formation des planètes et des étoiles sont fondamentalement différents.

44. Histogramme selon leur masse des compagnons d’étoiles de type solaire

45. Excentricité des planètes extrasolaires Les trajectoires des planètes du système solaire ont de très faibles excentricités. Les excentricités des étoiles doubles peuvent être très différentes. Les planètes extrasolaires de courte période, c’est à dire très proches de leur étoile, ont de petites excentricités, c’est à dire des trajectoires circulaires. Ceci peut s’expliquer par les effets de marée entre l’étoile et la planète. Il est très étonnant de constater que les excentricités des planètes extrasolaires de plus longue périodes sont très semblables aux excentricités des étoiles doubles.

46. Excentricités des planètes extrasolaires suivant leur distance à l’étoile

47. Excentricités des planètes et des étoiles doubles en fonction de leur période

48. Excentricité des planètes extrasolaires Ce résultat est très énigmatique : en effet les théories de formation des systèmes planétaires nous apprennent que les planètes qui sont formées par aggrégation à partir de matériel solide (grains de poussière) dans un disque doivent avoir des orbites presque circulaires, alors que les étoiles qui se forment par effondrement gravitationnel d’un nuage peuvent avoir des orbites de forte excentricité.

49. Faut-il revoir le scénario de formation des planètes ? Mais le scénario d’effondrement ne peut pas • former des planètes de petite masse, • former des planètes coplanaires (toutes dans le même plan) comme notre système solaire • Conduire à un système de planètes en résonance, comme cela est observé pour certains systèmes planétaires multiples. Solutions possibles : 1 - interaction planètes-planétes 2 - Excentricité induite par le disque protoplanétaire. 3 - Perturbations Gravitationnelles depuis une étoile compagnon 4 - Perturbations Gravitationnelles dues à des passages d’étoiles 5 - Formation par instabilité du disque

50. Métallicités Les planètes sont surtout trouvées autour d’étoiles riches en éléments lourds Le Soleil est du côté des étoiles riches en éléments lourds - 1ère explication : Pour former une planète, il faut beaucoup d’éléments lourds - 2ème explication : La zone convective de l’étoile a été polluée par les planètes « tombées » sur l’étoile