Mise à jour le 4 Décembre 2015

CONFÉRENCE
«EXOPLANÈTES ET LENTILLES GRAVITATIONNELLES»

Par Arnaud CASSAN

Astrophysicien, IAP, Maître de conférence UPMC

Organisée par l'IAP

98 bis Bd Arago, Paris 14ème

 

Le Mardi 1er Décembre 2015 à 19H30

 

Photos : JPM pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)

Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos

Vidéos des conférences proposées par l’IAP sur Canal U

 

BREF COMPTE RENDU

 

 

 

Arnaud Cassan est astrophysicien de l’Université P et M Curie.

 

Post-doc à la célèbre Université de Heidelberg dans le groupe des lentilles gravitationnelles.

Maître de conférences à l’UPMC et à l’IAP.

 

Sa spécialité, vous avez compris, ce sont les exoplanètes et la méthode des miro lentilles gravitationnelles.

 

Voilà justement 20 ans que nous avons découvert la première exoplanète et 100 ans qu’Einstein sortait sa théorie de la Relativité Générale qui impliquait les lentilles gravitationnelles.

 

 

 

 

 

INTRODUCTION : DU SYSTÈME SOLAIRE AUX EXOPLANÈTES.

 

Notre système solaire se compose principalement de deux groupes de planètes : les terrestres (telluriques) près du Soleil, et les planètes géantes loin de celui-ci. Ce dernier groupe pouvant être décomposé en deux : les géantes gazeuses Jupiter et Saturne et les géantes de glace Uranus et Neptune.

 

 

Au cours des siècles on a essayé de comprendre la formation de notre Système Solaire, et jusqu’en 1995, on avait élaboré cette théorie de sa formation : un nuage de matière et de gaz s’effondre, forme un disque, les petits éléments s’accrètent par gravité et donne naissance près du Soleil à des petites planètes solides et plus loin, au-delà de la ligne des glaces, à des planètes géantes, plus de matière (notamment de la glace) étant à leur disposition.

 

C’est ce que l’on pensait avant la découverte par M Mayor et D Queloz de la première exoplanète, qui ne semblait pas du tout appartenir à ce genre de structure.

On avait en fait une planète géante, chaude et très très près de son étoile (période orbitale de 4 jours !). Cette planète était du type que l’on baptisa « Jupiter chaud ».

 

On ne comprenait pas.

 

 

 

 

 

On a donc été obligé de trouver d’autres théories de formation de tels systèmes solaires.

 

On aboutit à une théorie où des planètes formées loin de leur étoile, se rapprochent d’elle par effet de migration.

En fait elles vont spiraler vers l’intérieur, ce mouvement étant dû à des « vagues » provoquées par la présence d’autres planètes.

Les grosses planètes seraient ainsi poussées vers le centre.

Une telle migration se serait aussi produite dans notre Système Solaire.

 

 

 

 

 

 

 

LES TECHNIQUES DE DÉTECTION DES EXOPLANÈTES.

 

 

Les différentes méthodes de détection de planètes extra solaires.

 

 

De la plus ancienne : le chronométrage d’un pulsar à la plus récente les micro lentilles en passant par celle qui en fait découvrir le plus : le transit.

Au cours des 20 dernières années, on découvre de plus en plus d’exoplanètes.

 

Leur nombre par année est représenté sur le graphe ci-contre depuis 1995.

 

On remarque que les méthodes se perfectionnant, on met au jour des planètes de plus en plus petites.

 

À quand une Terre lointaine ?

 

 

N’oublions pas que la (ou les) planète ne tourne pas autour de l’étoile, mais que c’est l’ensemble qui tourne autour du centre de masse commun.

 

Les différentes techniques de détection sont bien connues de nos lecteurs ;

Il y a principalement trois méthodes :

 

·                    Détection directe : en faire une photo; à priori pas facile vue la distance

·         Méthodes basées sur le mouvement propre de l'étoile autour du centre de gravité commun:

o   Mouvement propre détecté directement pas astrométrie

o   Chronométrage

o   Mesure des vitesses radiales ou effet Doppler ou spectroscopie

·                    Méthodes basées sur la brillance de l'étoile et sa variation; photométrie :

o   Transit ou passage.

o   Micro Lentille gravitationnelle

 

 

 

LES VITESSES RADIALES.

 

 

C’est une méthode basée sur l’effet Doppler ; si une étoile possède une planète, le léger mouvement propre dû à celle ci se caractérise par le fait que pendant une partie de son orbite elle s'approche de l'observateur et pendant une autre partie elle s'en éloigne.

C'est grâce à cette méthode que la première planète extra solaire a été trouvée par M Mayor et D Queloz de l'Observatoire de Genève avec le spectrographe ELODIE de l'Observatoire de Haute Provence (OHP).

 

 

Cette méthode est surtout valable pour des grosses planètes proches de leur étoile.

 

On a représenté sur ce graphique la masse des planètes par rapport à la distance à leur étoile avec cette méthode.

 

On voit bien que ce sont surtout des planètes massives.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LE TRANSIT PLANÉTAIRE.

 

 

C'est la méthode photométrique la plus en populaire actuellement, cela correspond au passage d'une planète devant le disque de son étoile ce qui provoque une (très) légère atténuation de sa luminosité que l'on détecte.

 

Ordre de grandeur : Jupiter provoquerait 1% d'atténuation et notre belle planète : 0,01%!!!.

 

Une telle méthode suppose bien sûr de bonnes conditions d’observation : vue par la « tranche »

 

Une animation gif du phénomène.

 

On détecte aussi des transits secondaires (quand la planète passe derrière l'étoile).

 

La planète (surtout si elle est près de son étoile) émet aussi dans l'infra rouge et son passage derrière son étoile provoque une diminution du rayonnement IR détecté.

 

 

 

 

 

 

Inconvénients majeurs :

 

1) les orbites doivent être bien orientées par rapport à la terre, ce qui limite le nombre de découvertes

2) la durée du transit est généralement très faible par rapport à la période de la planète, il faut être là au bon moment

 

Avantage majeur sur la spectroscopie : on peut analyser tout un coin du ciel en même temps, soit des millions d’étoiles

 

Répartition des découvertes avec cette méthode.

 

 

 

 

 

Come on le voit, ce sont plutôt des planètes proches de leurs étoiles, en effet, c’est plus facile car si elles sont plus loin, la probabilité de passer devant l’étoile devient très faible.

 

C’est cette méthode qu’utilise la sonde spatiale Kepler, qui a détecté plusieurs centaines d’exoplanètes.

 

 

DÉTECTION PHOTOGRAPHIQUE.

 

Mais deux difficultés limitent considérablement cette technique :

 

·                    Une séparation angulaire très petite entre planète et étoile hôte.

·                    Un énorme contraste de luminosité entre planète et étoile, celle-ci étant généralement 10 milliards de fois plus brillante que la planète recherchée. Soit un écart de 25 ordres de grandeur en magnitude.

 

Mais si on trace les courbes de luminosité de l’étoile et de la planète en fonction des longueurs d’onde, on remarque que cet écart de 25 ordres de grandeur en magnitude dans le visible est moindre dans l’Infra Rouge  17, soit 10 millions au lieu de 10 milliards, dans l’Infra Rouge.

Il est donc judicieux d’essayer de détecter directement plutôt dans l’IR.

 

Hubble aurait ainsi pu photographier une planète dans le système de Fomalhaut (à confirmer encore)

 

 

 

 

 

 

 

DÉTECTION PAR EFFET DE MICRO LENTILLES GRAVITATIONNELLES.

 

 

L’effet micro lentille, est basé sur la variation de lumière d'un objet source (une étoile, une galaxie, un amas de galaxies) devant laquelle passe une masse importante, une autre étoile par exemple, suivant ce qu'avait prédit le génial Albert Einstein avec ses lois de la relativité..

 En effet suivant la position de la source et de l'objet lentille on voit des formes différentes comme expliqué sur dans
 cet astronews précédent qui résume le sujet.

 

L’inconvénient d’une telle mesure est qu’elle est la mieux adaptée pour des étoiles lointaines, l’avantage est qu’elle permet de détecter des objets de faible masse.

 

Sur cette représentation en coupe de notre Galaxie, la Voie lactée, l’étoile-source appartient à la région centrale qu’on appelle le bulbe galactique, tandis que l’étoile-lentille se trouve à une distance intermédiaire, soit dans les bras spiraux du disque de la galaxie, soit aussi dans le bulbe.

 

 

Dessin : ESA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Une des premières découvertes a été faite par cette méthode avec le projet OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) en 2003 : OGLE 2003-BLG-235/MOA 2003-BLG-53 dont vous pouvez voir les courbes sur le site de l'expérience.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Suivant le type de planète et sa position par rapport à son étoile, on peut avoir des signaux recueillis différents.

 

Cette méthode a aussi permis la découverte d’une planète tellurique : OGLE-2005-BLG-390 et découverte annoncée à l’IAP.

Elle aurait 5,5 masses terrestres, située à 2,6UA de son étoile et une période 10,4 ans, située à 20.000 al.

 

 

 

Les détections de ce type étant très fugaces, un système d’alerte mondial a été développé.

 

 

 

Graphique correspondant à la méthode des microlentilles.

 

 

C’est Albert Einstein qui proposa cette méthode dès 1912, comme on le voit dans ses notes.

 

Il pensait qu’il y avait très peu de chances d’observer ce phénomène ; comme quoi, on peut se tromper !

 

 

 

 

 

 

 

 

 

On a même découvert des « planètes flottantes », c’est-à-dire qu’elles ne tournent pas autour d’une étoile.

Elles se sont probablement échappées à l’occasion d’un phénomène violent.

Ce sont des planètes probablement très massives et il y en aurait….beaucoup dans notre Galaxie !

 

 

TOUTES LES MÉTHODES ENSEMBLE.

 

 

 

On peut maintenant cumuler les résultats de toutes les méthodes (différentes couleurs sont utilisées) en y ajoutant aussi un paramètre important : la position de la ligne des glaces (ligne bleue verticale).

 

 

Un diagramme similaire plus net que ma photo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CONCLUSION.

 

Énormément d’exoplanètes, peut être 100 milliards dans la Voie Lactée.

Il semblerait que les planètes du type « super Terre » soit plus nombreuses que les grosses.

 

Concernant l’habitabilité, notre conférencier est…optimiste !

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

J’ai beaucoup de comptes rendus de conférences sur les exoplanètes, on peut consulter les quelques liens suivants :

·         Les exoplanètes, mondes nouveaux : CR de la conf  SAF de R Ferlet du 8 Oct 2014

·         Les planètes extra-solaires : CR de la conf IAP d’A. Lecavellier des Étangs du 8janv2013

·         À la recherche de planètes habitables : CR de la conf. de F Forget à l’IAP le 2 Oct 2012

·         Conditions d’habitabilité des planètes : CR de la conférence IAP d’A. Maeder du 5 Juin 2012

·         Les exoplanètes par S Udry au COSPAR Janv 2010

·         Michel Mayor : Sur les exoplanètes UNESCO 15 Janv. 2009

·         Alfred Vidal-Madjar : CR de la conf. "Il pleut des planètes" pour l'AMA09 le 12 Fev 2009

 

 

Dossier Exoplanètes sur votre site favori.

 

Instrumentation for the detection and characterization of exoplanets de la revue Nature.

 

Exoplanetary Microlensing de B. Scott Gaudi The Ohio State University

 

An Abundance of Exoplanets Changes our Universe, article de Scientific American.

 

La première exolune ? par lIAP.

 

 

 

 

Bon ciel à tous !

 

 

Jean Pierre Martin .Commission de Cosmologie de la SAF.

www.planetastronomy.com

 

Les autres CR des conférences IAP.

 

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