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Le réveil de Rosetta

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Après une hibernation de 957 jours dans l’espace interplanétaire, la sonde Rosetta et ses instruments ont entamé leur réveil lundi 20 janvier. L’explorateur de comète de l’Agence Spatiale Européenne(ESA) arrive enfin, après un voyage de dix ans dans le système solaire, aux abords de son objectif, la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. Le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM – Aix Marseille Université & CNRS – OSU Institut Pythéas) est l’un des principaux laboratoires français impliqués dans cette mission exceptionnelle avec le soutien du Centre National d’Etudes Spatiales (CNES). Cette mission permettra notamment d’étudier pour la première fois l’évolution d’une comète au cours de sa course dans le système solaire, mais aussi d’étudier in-situ le noyau cométaire. La collecte et l’étude des images qui seront obtenues par la caméra OSIRIS à bord de la sonde au cours de son approche et de son suivi de la comète constitueront des événements phares de l’année 2014 pour les astronomes Marseillais.

Jusqu’en août 2014 Rosetta va se rapprocher progressivement de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko. Elle va tout d’abord cartographier en détail la surface de la comète, afin de sélectionner le meilleur site pour y déposer, en novembre, l’atterrisseur Philae qui procèdera à une étude approfondie de son noyau. Rosetta continuera ensuite d’accompagner la comète tout au long de son voyage à travers le système solaire interne. Elle suivra ainsi l’évolution constante de l’activité de la comète à mesure que celle-ci se réchauffera en s’approchant du Soleil. C’est en août 2015 que sa course la mènera au plus près de notre étoile.

Rosetta, de grandes premières scientifiques et technologiques :
- première mission vers une comète au-delà de la ceinture d’astéroïdes, à quelque 800 millions de kilomètres du Soleil, ne recourant qu’à des cellules photovoltaïques pour alimenter en énergie le véhicule spatial
- premier engin spatial à se mettre en orbite autour d’une comète et à y déposer un module de surface « Philae », ce qui fait de cette mission l’une des plus complexes et certainement la plus ambitieuse jamais entreprise par l’ESA
- premier engin spatial à observer de près l’évolution d’une comète à mesure que cette dernière est soumise à un rayonnement solaire de plus en plus intense ;
- premières images jamais obtenues depuis la surface d’une comète et première analyse in situ de la composition du noyau d’un tel corps céleste en forant depuis sa surface.

Les ingénieurs et les chercheurs européens impliqués dans cette mission ont dû relever de nombreux défis technologiques pour concevoir cette mission et conduire Rosetta à son point de rendez-vous après un voyage de plus de dix ans dans le système solaire. Mais, l’enjeu est de taille et vaut bien tous ces efforts puisque Rosetta devrait nous fournir d’importants éléments de compréhension sur l’origine et l’évolution du système solaire, notamment grâce à l’étude du rôle que les comètes sont susceptibles d’avoir joué dans l’apparition de l’eau sur Terre.

Alors, difficile d’imaginer une telle mission sans la participation des astronomes Marseillais. En effet, pour la petite histoire rappelons qu’en 1913, l’Union Astronomique Internationale choisissait Marseille comme centre international des « petites planètes ». Grâce aux observations d’astronomes de renom tels que Pons (37 comètes découvertes, record mondial, dont 23 à Marseille), Gambart (12 comètes), Tempel (17 comètes), Coggia (6 comètes), Stéphan (5 comètes) et Borrelly (13 comètes) la ville détient à ce jour le record mondial du nombre de comètes détectées visuellement. Plus récemment ces dix huit dernières années, le coronographe LASCO-C2 conçu et réalisé par le LAM et embarqué sur l’observatoire solaire SOHO de l’ESA a découvert des milliers de comètes dites rasantes qui frôlent le Soleil.

Ce domaine de recherche d’excellence chez les astronomes Marseillais s’est ainsi perpétué et les chercheurs du LAM se sont bien évidemment engagés dans l’aventure dès le début de la mission. C’est d’ailleurs Philippe LAMY, chercheur CNRS au LAM qui, grâce à une technique qu’il a mise au point avec Imre Toth (Observatoire de Konkoly, Hongrie) et Harold Weaver (laboratoire de physique appliquée de l’Université Johns Hopkins, Laurel, Etats-Unis), a fourni les caractéristiques physiques et un premier modèle du noyau, informations indispensables au choix de la nouvelle comète cible, la comète 67P/ Churyumov-Gerasimenko, et à l’élaboration des opérations d’observation en 2014.

The nucleus of 67P/Churyumov-Gerasimenko
Crédit : HST Observations

Fort d’un savoir-faire très spécifique à l’instrumentation spatiale – particulièrement les domaines de l’optique et de l’opto-mécanique – et doté d’installations lui permettant de tester les instruments dans les conditions sévères imposées par la mission (vide, températures extrêmes, vibrations…), le LAM a conçu et réalisé, en partenariat avec la société EADS-Astrium à Toulouse et plusieurs laboratoires européens, la caméra à haute résolution spatiale « Osiris – NAC » pour « Narrow Angle Camera » qui équipe l’orbiteur Rosetta. Le LAM a également participé à la conception et la réalisation de l’ensemble de caméras panoramiques qui lui est monté sur le module de surface Philae.

Compte tenu des contraintes techniques d’une telle mission, la réalisation de ces instruments a nécessité l’intervention de personnels hautement qualifiés de métiers divers. Ainsi, opticiens, mécaniciens, informaticiens, électroniciens, thermiciens, qualiticiens, chercheurs de l’observatoire ont été impliqués dans ce projet. Et il n’en fallait pas moins pour imaginer et concevoir ce télescope miniature qui ne pèse pas plus de 12 kilogrammes, qui après un voyage d’une dizaine d’années va fournir des images d’une très haute résolution, sans aucun doute spectaculaires, à la communauté scientifique et au grand public.

A partir du mois de Mai, les astronomes du LAM, Philippe Lamy, Laurent Jorda et Olivier Groussin vont ainsi commencer à recevoir des images de plus en plus précises au fur et à mesure que la sonde se rapprochera de la comète. Grâce à ces données, ils réaliseront notamment un modèle à trois dimensions du noyau puis des relevés topographiques de terrain avec une résolution de 20 centimètres afin de choisir le site d’atterrissage optimal pour Philae.

Une exoplanète qui joue à cache-cache avec les astronomes

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Une équipe d’astronomes européens 1, dont des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université), a confirmé la présence d’une planète « invisible », grâce au spectrographe SOPHIE 2 installé sur le télescope de 1,93m de l’Observatoire de Haute-Provence. Cette planète, Kepler-88 c, avait été prédite grâce à la perturbation gravitationnelle qu’elle cause sur sa planète voisine, Kepler-88 b. Ce résultat est publié aujourd’hui dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Pendant les quatre années de sa mission, le télescope spatial Kepler 3 a trouvé plus de 3500 transits planétaires sur des centaines de milliers d’étoiles étudiées. Cependant, toutes les planètes situées dans le champ de vue de Kepler ne passent pas devant leur étoile hôte. En effet, si le plan de leur orbite est légèrement incliné (quelques degrés suffisent) par rapport à la direction de la Terre, la planète n’occulte pas l’étoile. Elle est donc « invisible » pour Kepler.

Figure 1
Vue d’artiste du système Kepler-88 b. Image de fond : ESO / S. Brunier
Crédit : Alexandre Santerne (CAUP)
Figure 2
Photo de la coupole du télescope de 1,93m de l’Observatoire de Haute-Provence (France) qui utilise le spectrographe SOPHIE, avec le champ de vue de Kepler.
Crédit : Alexandre Santerne (CAUP)

Des planètes en orbite autour d’une même étoile interagissent gravitationnellement les unes avec les autres. Dans ces systèmes à plusieurs planètes, cette interaction cause des perturbations dans les temps auxquels se produisent les transits planétaires 4. Ce phénomène est appelé variations des temps de transit ou TTV. La technique des TTV est sensible à des planètes aussi petites que la Terre et permet de mettre en évidence les perturbations gravitationnelles dans les systèmes planétaires. C’est le cas du système Kepler-88 autour duquel le télescope spatial Kepler a détecté une planète en transit (Kepler-88 b). Cette planète est si fortement perturbée par une autre planète qui elle ne transite pas, que ce système a gagné le surnom de Roi des variations de temps de transit.

Une analyse précédente 5 a prédit que ce système devrait être composé d’une paire de deux planètes proches de la résonance deux:un (i.e. la période orbitale de la planète externe est exactement deux fois plus longue que celle de la planète interne). Cette configuration orbitale est la même que celle entre la Terre et Mars dans le système solaire, Mars orbitant autour du Soleil en près de 2 ans. En utilisant le spectrographe SOPHIE, une équipe européenne d’astronomes a réussi à mesurer directement, grâce à la méthode des vitesses radiales 6, la masse de la planète invisible Kepler-88 c.

C’est la première fois que la masse d’une exoplanète invisible, déduite de la variation de temps de transit est confirmée indépendamment par une autre technique. Ce résultat valide donc la technique des TTV pour détecter des planètes invisibles et explorer les systèmes multiplanètes. Cette technique a été utilisée pour déterminer la masse de plus de 120 exoplanètes détectées par Kepler dans 47 systèmes planétaires, jusqu’à des planètes à peine plus massives que la Terre. Il aide à mieux comprendre les interactions dynamiques et la formation de systèmes planétaires. Cela permet aussi d’anticiper l’exploration future de nouveaux systèmes exoplanétaires depuis l’espace comme pourra le faire le télescope PLATO 7.

1. L’équipe est composée de S. C. C. Barros (LAM), R. F. Díaz (LAM/Observatoire Genève), A. Santerne (CAUP/LAM), G. Bruno (LAM), M. Deleuil (LAM), J.-M. Almenara (LAM), A. S. Bonomo (INAF – Osservatorio Astronomico di Torino), F. Bouchy (LAM), C. Damiani (LAM), G. Hébrard (IAP/OHP), G. Montagnier (IAP/OHP) et C. Moutou (CFHT/LAM). Les observations ont été financées grâce au Programme National de Planétologie du CNRS-INSU.
2. SOPHIE (Spectrographe pour l’Observation des Phénomènes des Intérieurs stellaires et des Exoplanètes, or Spectrograph for Observation of phenomena of stellar interiors and Exoplanets) est un spectrographe à haute résolution permettant de mesurer la vitesse radiale des étoiles avec une précision de 1m/s. Il est installé sur le télescope de 1,93 mètre de l’Observatoire de Haute-Provence, le même télescope avec lequel, en 1995, Michel Mayor et Didier Queloz ont détecté la première planète autour d’une autre étoile que le Soleil.
3. Le Télescope Spatial Kepler (NASA) a été lancé le 5 mars 2009 pour observer continuellement 150 000 étoiles dans la région de la constellation du Cygne. L’un des objectifs principaux de cette mission était de détecter des transits d’exoplanètes. À cause de problèmes techniques, cette mission a été interrompue prématurément le 15 août 2013.
4. La méthode des transits planétaires consiste à mesurer la diminution de luminosité des étoiles quand une planète passe devant le disque stellaire (comme une micro éclipse de Soleil). Avec cette méthode des transits, il est possible de mesurer le rayon des planètes, mais pas leur masse. Cette méthode est compliquée à utiliser, parce qu’elle nécessite que la planète et l’étoile soient parfaitement alignées avec l’observateur.
5. Nesvorny et al., KOI-142, the King of Transit Variations, is a Pair of Planets near the 2:1 Resonance, The Astrophysical Journal, Volume 777, (2013)
6. La méthode des vitesses radiales détecte des exoplanètes en mesurant les petites variations dans la vitesse (radiale) de l’étoile, à cause du mouvement reflex que l’exoplanète induit sur l’étoile. La variation de vitesse radiale de la Terre sur le Soleil est d’environ 10 cm/s, soit 0,36 km/h. Avec cette méthode, il est possible de déterminer la masse minimale des planètes.
7. PLATO est une mission candidate M3 du programme « Cosmic Vision » de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), dont le but est de rechercher d’autres Terres en transit devant des étoiles voisines du Soleil : http://sci.esa.int/plato/

Chronicles of Possible Worlds

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« Chronicles of Possible Worlds » – une création musicale et chorégraphique sur le thème des exoplanètes. Le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille collabore à ce spectacle de Jeff Mills.

Le spectacle « Chronicles of Possible Worlds » est en premier lieu une création inédite du compositeur américain Jeff Mills, conçue spécialement pour cet événement de Marseille-Provence 2013, Capitale Européenne de la Culture. « Chronicles of Possible Worlds » c’est aussi une représentation en musique et en mouvement de systèmes exoplanètaires. Aussi, pour offrir au public un regard artistique de ces mondes d’ailleurs fondé sur de véritables données scientifiques, Jeff Mills et le chorégraphe Alexandre Roccoli ont travaillé avec deux chercheuses, spécialistes des exoplanètes, du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (AMU, CNRS). Produit par l’association aixoise Seconde Nature, le spectacle sera présenté à la Fondation Vasarely le dimanche 10 novembre.

« Chronicles of Possible Worlds » est une création originale et exclusive de l’artiste Jeff Mills, spécialement conçue pour être représentée dans les espaces de la Fondation Vasarely (Aix-en-Provence) à l’occasion de la Capitale Européenne de la Culture, Marseille Provence 2013. Cette création consiste à la fois en une performance musicale et chorégraphique — dont le propos repose sur une sélection de données de recherches sur les planètes extrasolaires— et un principe déambulatoire particulier, l’ensemble visant à emporter le public dans un voyage « exoplanétaire » …

Au cœur des six espaces hexagonaux de la Fondation Vasarely, une équipe de 5 danseurs tentera ainsi de traduire par le corps, les caractéristiques des systèmes exoplanétaires choisi par Jeff Mills. Ce dernier et le chorégraphe ont travaillé en collaboration avec Magali Deleuil et Cilia Damiani, deux chercheuses spécialistes des exoplanètes du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) afin de pouvoir comprendre au mieux ce que nous savions des caractéristiques physiques de ces mondes d’ailleurs et en donner une retranscription musicale et chorégraphique. Jeff Mills a ainsi composé une bande-son spécifique pour chacune d’elles. Dans leur déambulation, les danseurs emmèneront le public à la découverte de ces exoplanètes. Des illustrations artistiques, permettront également une vision croisée avec l’œuvre de Victor Vasarely.

Ce projet est une belle occasion d’offrir au public un regard artistique inédit sur une des thématiques phares de la recherche en astrophysique actuelle grâce à une approche originale à la croisée de l’art et de la science. Et, il s’agit bien de ça – une rencontre entre l’art et la science- une volonté affirmée par l’ensemble des partenaires du projet et mise en œuvre grâce à l’association Seconde Nature, à l’origine de cette rencontre. Pour les équipes du LAM, ce projet alliant l’art et la science s’inscrit dans une démarche engagée depuis plusieurs années avec pour objectif de faire découvrir leurs thématiques scientifiques à de nouveaux publics et de susciter des échanges passionnants avec des artistes. Ces échanges sont l’occasion de croiser les regards sur leurs recherches et d’offrir ainsi aux publics – de nouveaux publics – une autre vision de leurs travaux.

De plus, « Chronicles of Possible Worlds » ne se contente pas d’offrir un regard artistique sur les exoplanètes. Le projet va plus en profondeur encore dans la relation entre l’art et la science. Grâce au DVD, au CD et au livret qui les accompagne, le public découvrira également le propos scientifique en lui-même, avec des interventions de Magali Deleuil et de Cilia Damiani expliquant de manière simple leur recherche et l’état de nos connaissances sur ces « mondes d’ailleurs ». Le public entrera également au cœur de cette démarche alliant l’art et la science avec des textes des artistes et des chercheurs mettant en perspective leur rencontre et la démarche créatrice qui en résulte. Durant le mois précédant le spectacle, l’association Seconde Nature accueillera une exposition qui invitera le visiteur à un voyage en images au cœur de cette thématique de recherche : un voyage dans l’univers « visuel » des chercheurs d’exoplanètes.

Chercheurs et artistes observent le monde qui nous entoure. Les uns tentent d’en percer les mystères, les autres en nourrissent leur imaginaire pour créer. Aussi, croiser les regards ne peut qu’être source d’enrichissement.

Une galaxie surprise en plein festin grâce à un projecteur lointain

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Des astronomes, parmi lesquels Céline Péroux du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS, AMU) utilisant le Très Grand Télescope, le VLT, de l’ESO ont repéré une galaxie lointaine dévorant avec appétit le gaz environnant. Le gaz semble tomber en direction de la galaxie, créant un flux qui alimente la formation d’étoiles et entraîne la rotation de la galaxie. Il s’agit là de la meilleure preuve observationnelle de l’hypothèse selon laquelle les galaxies attirent puis absorbent la matière environnante afin de croître et de donner naissance à de nouvelles étoiles. Les résultats paraîtront dans l’édition du 5 juillet 2013 de la revue Science.

Les astronomes ont toujours suspecté que la croissance des galaxies résultait de l’attraction de matière environnante, mais ce processus s’est avéré très difficile à observer directement. Le Très Grand Télescope – le VLT – de l’ESO a été récemment utilisé pour étudier le très rare alignement d’une galaxie lointaine 1 et d’un quasar – le centre extrêmement brillant d’une galaxie au sein duquel réside un trou noir supermassif – plus distant encore. Avant d’atteindre la Terre, la lumière en provenance du quasar traverse la matière qui environne la galaxie d’avant plan, ce qui permet d’étudier en détail les propriétés du gaz entourant la galaxie 2. Ces nouveaux résultats apportent le meilleur aperçu à ce jour d’une galaxie en plein festin.

« Ce type d’alignement est extrêmement rare et il nous a permis d’effectuer des observations uniques », nous confie Nicolas Bouché de l’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), Toulouse, France, auteur principal du nouvel article. « Nous avons été en mesure d’utiliser le VLT de l’ESO pour sonder la galaxie elle-même ainsi que le gaz environnant. Ce qui nous a permis d’aborder une question essentielle relative à la formation des galaxies : comment les galaxies croissent-elles et comment alimentent-elles la formation d’étoiles ? »

Lorsqu’elles créent de nouvelles étoiles, les galaxies épuisent rapidement leurs réservoirs de gaz ; afin de poursuivre cette activité, elles doivent donc être continûment alimentées en gaz frais. Les astronomes suspectaient que l’attraction gravitationnelle du gaz froid environnant par la galaxie constituait la clé du problème. Dans ce scénario, une galaxie attire du gaz qui entoure ensuite la galaxie et tourne avec elle avant de tomber à l’intérieur. Bien que des preuves de l’existence de cette accrétion galactique aient déjà été collectées, le mouvement du gaz et ses autres propriétés n’avaient pas encore été totalement étudiés.

Les astronomes ont utilisé les instruments SINFONI et UVES 3 qui tous deux équipent le VLT de l’ESO situé à l’Observatoire de Paranal au nord du Chili. Les nouvelles observations ont livré de précieuses informations concernant la rotation de la galaxie ainsi que la composition et le mouvement du gaz environnant la galaxie.

« Les propriétés de ce vaste volume de gaz environnant étaient en accord parfait avec les propriétés attendues d’un gaz froid aspiré par la galaxie » nous révèle Michael Murphy (Université de Technologie de Swinburne, Melbourne, Australie), co-auteur de l’étude. « Le gaz se déplace comme prévu, en quantité prévue et sa composition est en accord total avec le modèle. C’est comme si l’heure du repas pour les lions d’un zoo avait sonné – cette galaxie est particulièrement vorace, et nous avons découvert de quoi elle se nourrit pour croître si rapidement. »

Les astronomes avaient déjà découvert l’existence de matière autour des galaxies de l’Univers jeune, mais c’est la toute première fois qu’ils ont été en mesure de prouver, sans la moindre ambigüité, que la matière se déplace vers l’intérieur et non vers l’extérieur de la galaxie, de déterminer également la composition de ce carburant frais nécessaire à la création des générations suivantes d’étoiles. Sans la lumière du quasar et l’effet de projecteur qu’il crée, ce gaz environnant serait demeuré indétectable.

« Dans ce cas précis, nous avons eu la chance que le quasar se situe dans l’alignement précis de la galaxie, de sorte que sa lumière traverse le gaz tombant sur la galaxie. La prochaine génération de télescopes géants permettra d’observer les galaxies sous de multiples angles et procurera donc une vision d’ensemble bien plus complète » conclut Crystal Martin (Université Santa Barbara de Californie, Etats-Unis), co-auteur de l’étude.

 

1. Cette galaxie a été détectée à un redshift voisin de 2 lors d’un sondage effectué par l’instrument SINFONI en 2012 dans le cadre du Programme SINFONI Mg II dédié aux galaxies à raies d’émission (SIMPLE). Le quasar du fond a été baptisé HE 2243-60 ; la galaxie, elle, est située à un décalage spectral z=2.3285 – nous l’observons donc alors que l’Univers n’était âgé de deux milliards d’années.
2. Lorsque la lumière en provenance du quasar traverse les nuages de gaz, quelques longueurs d’onde sont absorbées. Les caractéristiques de ces raies d’absorption fournissent aux astronomes de nombreuses informations relatives aux mouvements et à la composition chimique du gaz. En l’absence du quasar, beaucoup moins d’informations auraient été obtenues – les nuages de gaz ne brillent pas et sont invisibles sur les clichés.
3. SINFONI est le spectrographe dédié aux observations de champ intégral dans l’infrarouge proche, tandis qu’UVES est le spectrographe à réseau échelle opérant dans l’ultraviolet et le visible. Tous deux équipent le Très Grand Télescope de l’ESO. SINFONI a révélé les mouvements de gaz au sein de la galaxie et UVES les effets du gaz environnant la galaxie sur la lumière en provenance du quasar distant.

Des petites planètes en orbite autour d’étoiles naines rouges détectées par SPIRou et TESS

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Depuis la découverte en 1995 d’une planète en orbite autour d’une étoile autre que le Soleil, les recherches en exoplanétologie révolutionnent notre connaissance des systèmes planétaires. Parmi les milliers de systèmes connus aujourd’hui, beaucoup possèdent des planètes n’ayant pas leur équivalent dans notre Système solaire. C’est le cas des exoplanètes de type sous‐Neptune et super‐Terre récemment découvertes par une équipe internationale autour d’étoiles naines rouges voisines du Soleil, et qui nous renseignent sur l’étonnante diversité des exoplanètes. Ces planètes ont été détectées avec le satellite TESS et l’instrument SPIRou, un spectropolarimètre installé au Télescope Canada‐France‐Hawaii et dont l’Observatoire de Haute‐Provence – OSU Institut Pythéas (CNRS / AMU) a contribué au développement.

Pendant longtemps, seules les planètes du Système solaire étaient connues et observées : quatre planètes géantes loin du Soleil, et quatre planètes telluriques (dont la Terre) plus proches de notre étoile. S’il semblait très probable depuis plusieurs siècles que beaucoup d’autres étoiles, si ce n’est toutes, hébergeaient elles aussi des planètes, celles‐ci restaient cependant inaccessibles à nos moyens d’observation. On ne savait donc pas si ces éventuelles exoplanètes existaient réellement, étaient similaires à celles du Système solaire, ou présentaient des propriétés différentes.

La situation a changé en 1995 avec la première détection d’une exoplanète, effectuée à l’Observatoire de Haute‐Provence par les astronomes Michel Mayor et Didier Queloz, récompensés par la suite par le Prix Nobel de physique. De nouveaux instruments ont depuis été développés ; ils ont permis la détection et la caractérisation de milliers d’exoplanètes, révolutionnant nos connaissances sur les systèmes planétaires, et notamment sur leur formation et leur évolution.

Parmi ceux‐ci, en France, un consortium scientifique a développé l’instrument SPIRou installé au Télescope Canada‐France‐Hawaii, sur la Grande île d’Hawaii. Il s’agit d’un spectropolarimètre fonctionnant dans le domaine infrarouge. Les équipe de l’OSU Institut Pythéas (CNRS, AMU, IRD, INRAE) à l’Observatoire de Haute‐Provence et au Laboratoire d’Astrophysque de Marseille ont notamment fortement contribué à son développement concevant et construisant son unité de calibration, puis en allant l’installer sur place. Il s’agit d’un dispositif essentiel à l’instrument ! De plus, le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille est impliqué scientifiquement dans la caractérisation de l’activité des étoiles afin de mieux y rechercher des planètes

SPIRou permet de rechercher des planètes autour d’étoiles moins massives, plus petites et moins chaudes que le Soleil, les naines rouges (leur température est comprise entre 2500 et 4000°, alors que le Soleil est à 5500°). Il permet également d’étudier l’activité magnétique de ces petites étoiles, qui sont les étoiles les plus nombreuses dans notre galaxie. Les équipes scientifiques utilisent notamment SPIRou pour caractériser les candidats planètes (les objets susceptibles d’être des planètes) qui ont été identifiés autour d’étoiles naines rouges par le satellite TESS de la NASA, et qui doivent être observés du sol pour établir leur nature. L’extrême stabilité de SPIRou permet en particulier de détecter les minuscules mouvements d’une étoile induits par une planète qu’elle héberge, et d’en déduire la masse d’une telle exoplanète ‐ un tour de force pour cet instrument cryogénique refroidi à la température de l’azote liquide (‐200°).

C’est dans le cadre des programmes scientifiques menés avec SPIRou qu’une équipe internationale, dans laquelle plusieurs laboratoires CNRS‐INSU sont fortement impliqués et notamment au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, a mené une étude ayant permis la découverte et la caractérisation d’une nouvelle planète baptisée TOI‐1695b. À peine deux fois plus grosse et six fois plus massive que la Terre, elle fait le tour de son étoile naine rouge en seulement trois jours. Un peu moins grosse que Neptune (d’où sa désignation de sous‐Neptune), cette nouvelle planète a une densité légèrement inférieure à celle de la Terre, et une température plus élevée de quelques centaines de degrés. Son atmosphère contient très probablement de grandes quantités d’hydrogène, d’hélium et de vapeur d’eau. Cette découverte va notamment aider les scientifiques à mieux comprendre comment de telles planètes, absentes de notre Système solaire, peuvent devenir au cours de leur formation des planètes gazeuses pour certaines, ou des planètes rocheuses pour d’autres.

Il y a quelques semaines, la même équipe avait annoncé la découverte et la caractérisation de la super‐Terre TOI‐1452b et de la sous‐Neptune TOI‐1759b, également en orbite autour d’étoiles naines rouges. La taille de ces nouvelles planètes est comprise entre 1,7 et 3,1 fois celle de la Terre, et leurs masses entre 5 et 7 fois celle de la Terre. Il s’agit donc de planètes intermédiaires entre la Terre et Neptune, mais beaucoup plus proches de leurs étoiles hôtes. Ces découvertes confirment que de telles planètes, bien qu’inexistantes dans le Système solaire, sont très abondantes dans notre galaxie.

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L’instrument SPIRou
Crédit : Sébastien Chastanet, OMP/IRAP/CNRS, 2018

Voir en ligne : Le communiquué sur le site de l’INSU

Trois planètes occupent la zone habitable de l’étoile Gliese 667C voisine de notre soleil

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L’étoile Gliese 667C n’a pas fini de dévoiler ses secrets … Une équipe d’astronomes vient en effet de mettre en évidence que trois exoplanètes de type super-Terres étaient en orbite dans la zone habitable autour de cette étoile… Cette découverte a notamment été possible grâce à l’Instrument HARPS. Cet instrument chasseur de planètes de l’ESO, inégalé dans sa catégorie à ce jour, a été conçu avec une importante participation française…dont des chercheurs et ingénieurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille et de l’Observatoire de Haute Provence.

Une équipe d’astronomes a combiné de nouvelles observations de Gliese 667C avec des données existantes issues de l’instrument HARPS qui équipe le télescope de 3,6 mètres de l’ESO au Chili, et en a déduit l’existence d’un système composé d’au moins six planètes. De plus, trois de ces planètes se révèlent être des super-Terres dont l’éloignement de leur étoile permet d’envisager l’existence d’eau liquide à leur surface, ce qui en fait de possibles candidates à l’habitabilité. Il s’agit là de la toute première découverte d’un système doté d’une zone habitable bien remplie.

L’étoile Gliese 667C a fait l’objet de nombreuses études. Dotée d’une masse équivalente au tiers de la masse du Soleil, elle appartient à un système stellaire triple noté Gliese 667 (ou bien encore GJ 667) situé à 22 années-lumière, dans la constellation du Scorpion. Elle se situe donc dans le voisinage immédiat de notre Soleil, à bien plus grande proximité que les systèmes d’étoiles étudiés au moyen de télescopes tel que le télescope spatial chasseur d’exoplanètes Képler.

Des études antérieures de Gliese 667C ont montré que l’étoile abrite trois planètes (eso0939, eso1214) dont l’une se situe en zone habitable. Une équipe d’astronomes menée par Guillem Anglada-Escudé de l’Université de Göttingen en Allemagne et Mikko Tuomi de l’Université de Hertfordshire au Royaume-Uni, a récemment réexaminé le système au moyen de nouvelles observations effectuées par l’instrument HARPS et de données issues d’autres télescopes 1 et a ainsi complété le tableau existant. Ils ont trouvé les preuves de l’existence de sept planètes autour de l’étoile 2. Ces planètes sont en orbite autour de la troisième étoile la plus faible d’un système stellaire triple. Les deux autres soleils constitueraient une paire d’étoiles très brillantes visibles en plein jour et aussi lumineuses que la pleine Lune durant la nuit. Les nouvelles planètes viennent compléter la zone habitable de Gliese 667C – il n’existe pas en effet d’autre orbite planétaire stable située à une distance appropriée de l’étoile.

« Nous savions, d’après des études antérieures, que l’étoile était entourée de trois planètes, nous voulions donc vérifier l’éventuelle existence d’autres planètes », nous dit Tuomi. « En ajoutant de nouvelles observations et en revisitant les données existantes, nous avons été en mesure de confirmer l’existence de ces trois corps et d’en découvrir de nouveaux. Trouver trois planètes de faible masse dans la zone habitable de l’étoile s’est révélé être très excitant ! »

Trois de ces planètes se sont avérées être des super-Terres – des planètes plus massives que la Terre mais moins massives que des géantes telles qu’Uranus et Neptune – qui occupent la zone habitable de l’étoile, une mince bande située autour de l’étoile et au sein de laquelle l’eau est susceptible d’être présente à l’état liquide si les conditions sont propices. C’est la toute première fois que trois planètes de ce type ont été repérées dans cette zone d’un même système 3.

« La probabilité de trouver des planètes potentiellement habitables dans notre galaxie est d’autant plus grande que plusieurs d’entre elles sont en orbite autour d’une seule et même étoile de faible masse – nous savons à présent qu’il nous suffit d’observer une seule étoile pour découvrir plusieurs planètes plutôt que d’observer dix étoiles à la recherche d’une seule planète potentiellement habitable » ajoute Rory Bames (Université de Washington, Etats-Unis), co-auteur de l’étude.

Les systèmes compacts qui entourent des étoiles semblables à notre Soleil sont abondants dans la Voie Lactée. Les planètes qui sont en orbite à proximité d’une étoile hôte de ce type sont très chaudes et certainement inhabitables. Mais cela n’est pas le cas des étoiles plus froides telles que Gliese 667C. Dans ce cas, l’intégralité de la zone habitable se situe à l’intérieur d’une orbite de dimension semblable à celle de Mercure, à plus grande proximité de l’étoile hôte donc. Le système Gliese 667C constitue le premier exemple d’un système constitué d’une étoile de faible masse et de planètes vraisemblablement rocheuses situées dans la zone habitable.

Le scientifique de l’ESO responsable de l’instrument HARPS, Gaspare Lo Curto, ajoute : « Ce passionnant résultat a été en grande partie obtenu grâce à la puissance de HARPS, de son logiciel associé, et souligne toute l’importance des archives de l’ESO. Il est très gratifiant de voir plusieurs groupes de chercheurs indépendants exploiter cet instrument unique et atteindre la précision ultime ».

Et Anglada-Escudé de conclure : « Ces nouveaux résultats montrent à quel point il peut être intéressant de procéder à une nouvelle analyse de données et de combiner les résultats obtenus par différentes équipes au moyen de divers télescopes ».

1. L’équipe a utilisé des données issues du spectrographe UVES installé sur le Très Grand Télescope – le VLT - de l’ESO au Chili (afin de déterminer avec précision les propriétés de l’étoile), le spectrographe chercheur de planètes (PFS) Carnegie qui équipe le télescope Magellan II de 6,5 mètres de l’Observatoire Las Campanas au Chili, le spectrographe HIRES installé sur le télescope Keck de 10 mètres au Maunea Kea à Hawaï, ainsi que de nombreuses archives de HARPS (le chercheur de planètes de grande précision utilisant la méthode des vitesses radiales) qui équipe le télescope de 3,6 mètres de l’ESO au Chili (ces données ont été compilées en 2003-10 par le programme M dwarf de X. Bonfils et M. Mayor, décrit ici).
2. L’équipe a examiné les données de vitesse radiale de Gliese 667C, une méthode bien souvent utilisée pour traquer les exoplanètes. Afin d’isoler les signaux planétaires, elle a effectué une analyse statistique robuste de type Bayésien. Les cinq premiers signaux sont sans ambiguïté, le sixième demande confirmation et le septième beaucoup plus hasardeux. Ce système est composé de trois super-Terres situées en zone habitable, de deux planètes chaudes à proximité de l’étoile et de deux planètes plus froides situées à plus grande distance. Les planètes situées en zone habitable et celles situées à proximité de l’étoile ont sans doute toujours la même face orientée en direction l’étoile, de sorte que la durée de leur jour égale celle de leur année, l’une des faces étant en permanence éclairée par le soleil et l’autre baignant dans la pénombre.
3. Dans le système solaire, Vénus orbite à proximité de la frontière intérieure de la zone habitable et Mars à proximité de la frontière extérieure. L’extension précise de la zone habitable dépend de nombreux facteurs.