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planétaire
Futura-Sciences
17/10/2006-Par
PierreBarge,ChercheurAstronomie
Planètesextrasolaires:uneclépourcomprendrelaformationplanétaire
La découverte de systèmes planétaires autour d'autres étoiles que le Soleil permet une approche comparative et statistique
complétantladémarche«archéologique»utiliséejusqu'àprésentpourretracerl'histoireduseulSystèmesolaire.
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Depuis1995etlapremièreexoplanètedécouverteautourd'uneétoiledelaséquenceprincipale,ladétectiondeplanètesextrasolaires
estunenjeuessentielpourcomprendrelaformationdesplanètesetchercherunevieailleurs.
EncherchantdescontraintesailleursquedansleSystèmesolaire,laformationplanétairedevientunedisciplinematuredel'astronomie.Lamission
spatialeCorots'estengagéetrèstôtdanscettedémarche.
Cototdevraitêtrelapremièremissionspatialeàdétecterdessuperterres(planètesrocheusessemblablesàlaTerre,maisunpeuplusgrosses
qu'elle).©ESO
L'accumulationdumatériausolideconstituantlesplanètespourraitdémarrerauseindetourbillonsgazeuxpersistants.Cemodèleenvisagéen1995
commenceàfairesonchemin.
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Destourbillonsàgrandeéchelleseformenttrèssouventdansl'atmosphèreterrestre(icilecycloneElenaau-dessusdugolfeduMexique).
Dansl'atmosphèredesplanètesgéantesdestourbillonspeuventperdurertrèslongtemps.LatacherougedécouverteparCassiniàlasurface
deJupiterestconnuedepuisplusde300ans.
©Nasa
Destechniquesdedétectiondesplanètesextrasolairesauxconnaissancesqu'ellesapportentsurnotreunivers,cedossiervousfaitvoyagerdans
lemondedesexoplanètes.
Bonnedécouverte!
Page2/7-Exoplanètes:détecterdesplanètesextrasolairesavecCorot
Corot (pour Convection Rotation et Transits planétaires) est une mission spatiale dont un des buts principaux est la détection de
planètes en orbite autour d'autres étoiles que le Soleil (l'autre objectif de la mission est l'étude des intérieurs stellaires par
l'intermédiairedesmécanismesdeconvectionetderotation).
Figure1.Transitd'uneplanètedevantledisquedesonétoileetdiminutiondeluminositéquienrésulteenfonctiondutemps.Cetransitpermet
dedétecterdesexoplanètes,missiondeCorot.©DR
Corot:lestransitspourdétecterlesplanètesextrasolaires
La méthode utilisée parCorotconsisteàdécelerlesfaiblesvariationsdeluminositéd'uneétoileliéeauxpassagesrépétésdelaplanètedevantle
disquedel'étoileautourdelaquelleelleorbite.Elleestillustréeparlafigureci-dessus.
C'estuneméthodequipeutpermettreladétectiondeplanètesdetrèspetitetaille,analoguesauxplanètestelluriquesdenotreSystèmesolaire.
Corot a été proposée pour la première fois au Cnes en 1994. À cette époque on neconnaissait aucun système planétaire autre que leSystème
solaireetlesystèmeatypiquedeplanètesdupulsarPSR1258+12(danslecasdupulsar,ils'agitd'uneformation«postmortem»aprèsquel'étoile
soitpasséeparunephasesupernova).
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Page3/7-Préciserlesmodèlesdeformationplanétaire
Onsavaitdepuis1983,aveclesobservationsdusatelliteIras,qu'unegrandemajoritédesétoilesjeunessontentouréesd'undisque
contenantgazetparticulessolides.OnretrouvaitlàleshypothèsesémisesparKantetLaplaceàlafinduXIXe sièclepourexpliquerla
formationduSystèmesolaire.
Figure2.LedisquedeβpictorisobservéparSmith&Terrile(1984)aprèsladécouverted'Iras.
On eut alors rapidement la conviction que ces disques étaient composés des résidus de la formation de l'étoile et qu'à l'intérieur de ces disques
pouvaientsedéroulerlesmécanismesproduisantlesplanètes.
Scénariodelaformationplanétaire
LeSoleil étant une étoile standard, (et la physique la même partout dans l'univers) on en déduisit rapidement que la formation planétaire était un
processus fréquent dans notre galaxie, qui avait toutes les chances de se produire autour d'autres étoiles que le Soleil. La formation planétaire
devenaitalorsuneétapenormaledanslaviedesétoiles:la«planétogenèse»,dontlerésultatpeutêtreunsystèmeplanétairecomplet,comme
leSystèmesolaire,ouunsystèmeavorté.
Devant l'incomplétude du scénario standard des années 1980, notamment pour décrire la formation des planétésimaux et des planètes géantes,
trouver d'autres systèmes planétaires devenait doncunmoyendetesterlesmodèlesavec de nouvelles contraintes et de parvenir à vraiment
faireévoluernosidéessurlamanièredontlesplanètesseforment.
C'est dans ce contexte, un an avant la découverte de 51 Peg-b, que l'expérience Corot a été proposée au Cnes avec pour but de découvrir les
premièresexoplanètesdetypetelluriqueetdemieuxcontraindrelesmodèlesdeformationplanétaire.
Page4/7-Lapremièreexoplanètedécouverteen1995
Avecladécouvertedelapremièreplanèteextrasolaire,1995marquevraimentuntournantdansl'évolutiondesidéesenmatièrede
formationplanétaire.
Figure3.LesystèmedeplanètesautourdeUpsilonAndromedae(enhaut)comparéauSystèmesolaire(enbas).Troisplanètesdetypejovien
danslarégionoùl'ontrouvelesplanètestelluriquesdenotreSystèmesolaire.©TheEncy clopediaofAstrobiology Astronom y and
Spaceflight
LesJupiterchauds
51Peg-bestuneplanètegéanteanalogueàcellequenousconnaissonsdansnotreSystèmesolaire,maisquiorbite100foisplusprèsdesonétoile
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queJupiterduSoleil.Onappellecetypedeplanètes,les«Jupiterchauds».
Depuiscettedate,lesdécouvertesduesàlaméthodedesvitessesradialessesontmultipliéesavecleurlotdesurprises.
On connaît aujourd'hui près de 850planètes extrasolaires découvertes par cette méthode. La plupart d'entre elles sont plus massives que Jupiter
ou Saturne, quelques-unes peuvent avoir la taille d'Uranus. Les systèmes planétaires qu'elles forment sont généralement très différents de notre
Système solaire avec notamment des orbites très serrées autour de l'étoile (un peu comme 51 Peg-b) ou des orbites d'excentricité très élevée
(e.g.l'EncyclopédiedesplanètesextrasolairesdeJ.Schneider.
Figure4.Premièreimaged'uneplanèteextrasolaire(enrouge)enorbiteautourd'uneétoilenainebrune(enbleu).Imagecompositeobtenue
àpartird'observationsdirectesfaitessurleVLTauChili.©ESO
Toutescesdécouvertesontprofondémentbouleversélesmodèlesdeformationplanétaireetontattirédenombreuxchercheursdanscedomaine
de l'astrophysique. Certains mécanismes oubliés, comme celui de migration planétaire (découvert dans les années 1980), se sont retrouvés sur le
devantdelascènequandils'estagitd'expliquerlaformationdessystèmesplanétairespossédantunJupiterchaud.
Page5/7-Recherched'exoplanètes:Corot,Kepler…etlesautres
Depuis1994,lesobjectifsscientifiquesdeCorotn'ontpaschangé,maissonprogrammederecherchedesexoplanètess'estenrichides
enseignementsobtenusparlaméthodedesvitessesradiales.
Figure5.LesatelliteCorotàAlcatelAleniaSpace.©DR
LamissionCorot
Les découvertes faites par laméthode des vitesses radiales étaient les prémices d'une moisson scientifique de Corot très importante. Corot,
télescopespatialduCnes,aétélancéen2006etadétectéplusde600candidatesexoplanètes.
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Figure6.LesatelliteCorotetunepartiedelacommunautéquiaoeuvrépoursaréalisation(derniersessaisquelquesmoisavantletiren
2006).©DR
La préparation de Corot a été un travail de longue haleine avec la participation de nombreux chercheurs, d'ingénieurs, de techniciens et de
personneladministratif.LamissionestdécriteendétailsurlesiteCorotduLaboratoired'AstrophysiquedeMarseille(OAMP/LAM).
Figure7.Unevued'artistedeCorotdansl'espace.LesatelliteaétélancéàpartirdeBaïkonouretplacésuruneorbitepolaireà900km
d'altitude.©DR
LamissionKepler
Aujourd'hui,ungrand nombre de projets pour la recherche d'exoplanètes (plusieurs dizaines) sont actuellement en gestation ou déjà lancés, aussi
bien à partir du sol que de l'espace. C'est le cas par exemple de la missionKepler, préparée par la Nasa, et qui utilise la même méthode de
détectionqueCorot;cesatelliteétantoptimisépourladétectiondeplanètesanaloguesalaTerre.
Les découvertes de Kepler et Corot nous en ont déjà appris d'avantage sur la formation planétaire ainsi que sur l'existence possible de planètes
habitables.
Page6/7-Formationplanétaire:lescénariodesplanétésimaux
Lesobservationsdedisquescircumstellairesaccréditentaujourd'huil'hypothèsedelanébuleuseprimitiveémiseparLaplaceetKant
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dèslafinduXIXe siècle,mettantfinàdessièclesdedébatsurl'origineduSystèmesolaire.
On pense de nos jours que lesplanètes se forment au sein des disques qui entourent les étoiles jeunes en accumulant le matériau solide qu'ils
contiennent sous forme de particules solides en suspension dans le gaz. Le scénario standard de formation des planètes a été imaginé par O.
ShmidtetV.-S.Safronovdanslesannées1960etlargementreprisdanslesannées1980parl'écoleaméricaineautourdeG.Wetherill.
Lesdeuxétapesduscénariodesplanétésimaux
Cescénario,ditdes«planétésimaux»,comprendessentiellementdeuxétapes:
unepremièreétapependantlaquellel'évolutionestdominéeparlacomposantegazeuse,lesparticulessolidesensuspensiondanslegaz
s'agglomérantpourformerunemultitudedeplanétoïdes(ouplanétésimaux);
unesecondeétapependantlaquellel'évolutionestdominéeparlaforcegravitationnellequiagitsurlesplanétésimauxenorbiteautourde
l'étoile.Lestracesd'impactsàlasurfacedetouslescorpsduSystèmesolaireattestentdel'existenced'unephasecollisionnelleintenseau
momentdeleurformation.
Figure8.LesdeuxétapesduscénariostandarddeSafronov(ouscénariodesplanétésimaux):pendantlapremière,legazcontrôlel'évolution
;pendantlaseconde,lematériausolide(sousformed'unemultitudedeplanétoïdes)prendlerelais.Ledisquedegazetlesplanétésimaux
tournentautourdel'étoile.©DR
L'étape gravitationnelle, étudiée de façon aussi bien théorique que numérique, est globalement assez bien comprise. L'étape hydrodynamique
restetrèsmalcomprise,notammentàcausedenotreméconnaissancedelaturbulencedanslesdisquesprotoplanétaires. Néanmoins,
lesparticulessolidesdontlestaillespeuventallerdumicromètreaucentimètre,onttendanceà«sédimenter»versleplanéquatorialenformant
unesous-coucheplusdenseoùvontseformerlesplanétésimaux.
Une contrainte importante de ce scénario est que les planètes géantes gazeuses doivent être formées avant la dissipation du gaz qui, selon les
observations,nesurvitquequelquesmillionsd'années.
Page7/7-Formationplanétaire:lerôlecatalyseurdestourbillonsanticycloniques
Lerôledestourbillonsanticycloniquesdanslaformationplanétaireestompelesdifficultésduscénariostandard.
Lescénariostandardprésentedeuxdifficultésimportantes:
lecœurdesplanètesgéantesdoitseformerenmoinsdequelquesmillionsd'années,avantquelegazdudisquenesoitdispersédurantla
phaseactivedel'étoile(phaseT-Tauri);
Laformationdesplanétésimauxeux-mêmesn'estpasclairementexpliquéeparcemodèle.
Ces deux difficultés s'estompent si des tourbillons anticycloniques sont présents dans le disque de gaz et survivent pendant un grand nombre de
rotations autour de l'étoile. En effet, les particules solides qui sédimentent dans l'épaisseur du disque sont capturées et concentrées par les
tourbillonsdefaçontrèsefficace(Barge&Sommeria,1995).
Detelstourbillonspeuventêtreengendrésparuneinstabilitéspécifiqueouparunecascadeinversedansundisqueturbulent(2D),lesmouvements
auxpetiteséchellesnourrissantceuxauxgrandeséchelles(commecelaseproduitdansl'atmosphèredesplanètesgéantesduSystèmesolaire).
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Figure9.LagrandetacherougedeJupiter.Unexempledetourbillonanticycloniquequipersistedepuisplusde300ansdanslescouches
supérieuresdel'atmosphèreturbulentedeJupiter.©DR
Des codes numériques permettant de décrire l'évolution couplée du gaz et des particules solides sont nécessaires pour étudier ces
phénomènes. Les résultats des simulations montrent que des tourbillons persistants peuvent se former tout en capturant les particules qui
circulentdansledisque.
Figure10.Simulationhydrodynamiqueàdeuxphases(gazetsolide)montrantl'évolutiondugazetdesparticulessolidesdansundisquequi
génèredestourbillonspersistants(InabaetBarge,2006).Lesparticulesontundiamètrede3cm.Lafiguredegauchemontreletourbillonde
gaz(anticyclone);lafigurededroiteindiquel'évolutiondelacomposantesolide.Lesparticulessontcapturéesparletourbillonettendentà
seconcentrerverssoncentre(œildel'anticyclone).Lafiguremontreunseulcadrandel'anneausimulé.©DR
Desplanétésimauxformésàl'intérieurd'untourbillon
À l'intérieur d'un tourbillon les particules collectées se concentrent vers le centre où la densité augmente très fortement. Les conditions sont
propices au déclenchement d'une instabilité gravitationnelle ou à une agglomération accélérée des particules par collisions successives ; des
planétésimauxdevraientdoncseformeraisément.Siladuréedeviedutourbillonestsuffisammentgrande(plusieurscentainesderotationsautour
de l'étoile), la masse récupérée par le tourbillon peut atteindre la masse critique pour la capture du gaz environnant et la formation d'une planète
géante.
Les tourbillons anticycloniques semblent donc capables d'accélérer les processus de formation planétaire en collectant et concentrant le matériau
solidedelanébuleuse.Beaucoupdetravailestencorenécessairepourétudierlesprocessusd'agglomérationauseindestourbillons.
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