conf IAP sur Sphere par A Boccaletti du 4 sept 2017

Mise à jour le 8 Septembre 2017

CONFÉRENCE
«EXOPLANÈTES ET DISQUES CIRCUMSTELLAIRES
OBSERVÉS DIRECTEMENT AVEC SPHERE»

Par Anthony BOCCALETTI astrophysicien à l'Observatoire de Paris

Organisée par l'IAP 98 bis Bd Arago, Paris 14^ème

Le Mardi 4 Septembre 2017 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

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BREF COMPTE RENDU

Anthony Boccaletti est astrophysicien au LESIA (Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique) département de l’Observatoire de Paris.

Avant cela, il est passé par le CalTech à Pasadena en Californie.

Sa spécialité : l’imagerie directe des exoplanètes. Cela implique de résoudre spatialement l’orbite de ou des planètes en atténuant la luminosité de l’étoile par divers procédés.

Ce genre d’imagerie directe permet aussi d’atteindre d’autres détails de ce système planétaire comme par exemple un anneau de poussières ou autre…

INTRODUCTION.

Après une définition de ce qu’est une planète, le conférencier nous détaille les limites en masse entre planète et étoile.

Il semble que cette limite, un peu floue, soit vers 13 Masses de Jupiter, au dessus on a les naines brunes pis les vrais étoiles, en dessous, les planètes gazeuses puis telluriques.

Mais pourquoi étudier les exoplanètes ? En fait on veut étudier :

· Les types de planètes et leurs propriétés

· Les mécanismes de formation et d’évolution

· Les conditions d’apparition d’une vie éventuelle

On fait de plus en plus de découvertes d’exoplanètes (plusieurs milliers notamment grâce à Kepler) et il apparait qu’il existe beaucoup de planète entre la taille de la Terre et celle de Neptune. Des mini Neptunes et des Super Terres !

Plus on avance dans le temps et plus la masse des planètes découvertes diminue.

Notre système solaire à la vue des dernières découvertes ne semble pas typique de ce que l’on observe.

LA PROBLÉMATIQUE DE L’IMAGERIE DIRECTE.

Un bon exemple pour se rendre compte de problèmes auxquels ont est exposé : la photo prise par Voyager 1 quittant le système solaire et se « retournant » photographie notre monde.

La Terre n’est qu’un minuscule point bleu à peine perceptible.

On peut voir le portrait complet du système solaire vu par Voyager ICI.

On voit qu’il y a un problème de contraste ; par exemple le rapport luminosité par rapport au Soleil de la Terre est de 5 10⁹ .

Si le contraste est de 5 milliards dans le visible entre la Terre et le Soleil, il n’est « que » de 7 millions en IR.

Il faut donc aller dans l’IR pour chercher les exoplanètes.

Mais la diffraction n’est pas bonne dans ce domaine là.

Il faut l’éliminer ou au moins la diminuer.

Ce sera le rôle du coronographe (inventé par Bernard Lyot en 1930 à Meudon).

On voit ici le schéma de principe d’un coronographe,

La lumière de l’étoile provient de la gauche, ensuite se trouve en rouge le masque cachant l’étoile, puis le diaphragme et enfin la lentille finale.

Mais comme nous observons du sol terrestre, il faut s’affranchir des turbulences atmosphériques.

Une optique adaptative se chargera de cette fonction.

Elle analyse le front d'onde après réflexion sur un miroir déformable, puis modifie la forme du miroir pour compenser les effets de l'atmosphère en temps réel.

Ce système a immédiatement donné des résultats comme on le voit ici avec Beta Pictoris.

La planète a été imagée en 2003 et 2009 comme on le voit.

L’INSTRUMENT SPHERE.

L’instrument SPHERE (Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet REsearch ou en français Spectro-Polarimètre à Haut contraste dédié à la REcherche d'Exoplanètes) est un instrument pour la détection d’exoplanètes installé depuis 2014 sur un des télescopes du VLT au Chili.

C’est un consortium européen dirigé par l’IPAG (l'Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble), le LESIA y participe fortement aussi.

Photo : l’instrument SPHERE placé à côté du télescope du VLT (ESO)

Je reprends le texte du LESIA ici en partie :

Un instrument comme SPHERE permettant d’atteindre une haute dynamique est compatible avec plusieurs objectifs astrophysiques, mais SPHERE est essentiellement focalisé sur les exoplanètes et l’ensemble du système est optimisé pour cet objectif prioritaire. Les cibles idéales pour SPHERE sont :

· Les associations d’étoiles jeunes (quelques dizaines de millions d’années). D’après les modèles d’évolution, les planètes dissipent l’énergie accumulée au cours de leur formation sur des échelles de temps de plusieurs millions d’années et sont donc plus chaudes et plus brillantes lorsqu’elles sont jeunes.

· Les planètes découvertes par vitesses radiales accessibles avec SPHERE. La plupart de ces planètes sont à courtes périodes, donc inaccessibles à l’imagerie directe, mais certaines montrent des dérives en vitesses radiales laissant supposer des orbites larges. Ces planètes sont en général matures donc plutôt froides et moins brillantes. Mais leur orbite est connue ce qui peut faciliter la détection.

· Les étoiles brillantes proches. Là encore il s’agit de planètes matures, mais la proximité de l’étoile nous permet d’observer des orbites plus courtes donc des planètes potentiellement irradiées c’est à dire chauffées par l’étoile.

Pour atteindre ces objectifs l’instrument doit atteindre des contrastes de 15 à 16 magnitudes (par rapport à l’étoile centrale) sur un petit champ (0.1" à 3") et cela pour des étoiles de magnitude inférieure à 10.

Pour accomplir ce programme ambitieux, SPHERE bénéficie d’un temps garanti de 260 nuits au total, condition nécessaire pour obtenir statistiquement un nombre de détections suffisant.

SPHERE comprend trois instruments principaux :

· Un imageur IR (IRDIS)

· Un spectromètre IR (IFS)

· Un polarimètre (ZIMPOL)

Dès sa mise en service, il a immédiatement été performant comme on le voit ici avec les 4 planètes de HR 8799.

Un des grands succès de SPHERE est l’imagerie de Beta Pictoris b que nous avons déjà vue ; mais récemment (été 2017) cet instrument a découvert l’exoplanète HIP 65426 b. elle est située à 385 al de nous et serait âgée d’une quinzaine de millions d’années. Géante gazeuse d’une dizaine de fois la masse de Jupiter, elle posséderait de l’eau dans son atmosphère, bien que sa température de surface soit élevée (plus de 1000°C).

L’étoile qu’elle orbite serait deux fois plus massive que la nôtre.

On voit la planète b par rapport à son étoile, le cercle blanc correspond à l’orbite de Neptune.

Mais une des grandes avancées de SPHERE est la possibilité de découvrir des anneaux ou des disques protoplanétaires autour d’étoiles lointaines.

Et des anneaux il en a trouve beaucoup comme on le voit sur cette composition.

Il semblerait qu’il existe deux types de disques protoplanétaires :

· Pour les jeunes étoiles (<10 millions années) : disque de poussières en spiral ou anneau (MWC 758)

· Pour les étoiles plus anciennes (>10 millions d’années) : ce serait plutôt un disque de débris et de cailloux avec très peu de gaz. (HD 106906)

Une des grandes réussites de cet instrument a été aussi la découverte du disque de AU Microscopii.

En effet, les astronomes du VLT ont découvert des structures bizarres au sein du disque de poussières de cette étoile.

Ce sont des ondes qui n’ont jamais été observées antérieurement.

Il y aurait une structure ondulante à différentes distances de l’étoile. On a d’ailleurs pu les comparer avec d’anciennes images prises par Hubble et on a pu mettre en évidence qu’elles évoluaient au cours du temps.

Illustration : en haut et au milieu images de Hubble de 2010 et 2011, rangée du bas :SPHERE en 2014.

Le point au milieu représente l’étoile et l’échelle en haut l’orbite de Neptune (60UA).

Crédit : ESO/NASA/ESA

L’étoile AU Microscopii est une naine rouge, jeune, 3 fois moins massive que le Soleil et dix fois moins lumineuse.

Ce disque de poussières cache aussi probablement une planète.

Ces ondulations ont un mouvement très rapide et s’éloignent de l’étoile à une vitesse de plus de 10km/s, c’est-à-dire pour certaines supérieures à la vitesse de libération.

On a identifié les différentes ondulations sur cette photo.

Anthony Boccaletti nous signale que l’on n’a pas encore trouvé l’explication du phénomène. Flambée d’étoiles ??

L’étude du phénomène continue.