Mise
à jour 9 Juin 2024
CONFÉRENCE de
Benjamin CHARNAY
Astrophysicien au LESIA (LIRA maintenant) sur :
« LES ATMOSPHÈRES
EXOPLANÉTAIRES »
Organisée par la SAF
En direct du siège et par téléconférence
Le Samedi 1er Juin 2024 à 15H00
À l'occasion de la réunion de la Commission de Planétologie
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 et des animations.
Le
conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation, elle est
disponible sur
ma liaison ftp et
se nomme :
Exopl-SAF-Charnay.pdf,
qui se trouve dans le dossier
PLANETOLOGIE-SAF/ saison 2023-2024.
Le
téléchargement est un fichier pdf car la présentation ppt est très lourde, mais
certaines animations sont incluses dans mon CR.
Ceux
qui n'ont pas les mots de passe doivent me
contacter avant.
Cette
session était retransmise sur Zoom.
La vidéo se trouve ici : https://youtu.be/vtzAzZ85sto
Elle
est classée dans la playlist commission Planétologie de la SAF :
https://saf-astronomie.fr/planetologie/
et la
playlist :
https://www.youtube.com/playlist?list=PL78ug7UrzPF3GO6qPac6isuQ1Gm5aIGJa
Merci
à Gilles pour les photos et l’animation.
L’INSU (Institut National des Sciences de l’Univers) vient de publier ce
communiqué :
Pour lui, aucun astre n’est
trop lointain ou trop ancien pour en modéliser l’atmosphère. Benjamin Charnay
étudie ainsi depuis le Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en
astrophysique (LESIA) l’atmosphère des exoplanètes, des naines brunes, de Titan
et des versions primordiales de la Terre et de Mars.
Ces travaux lui valent de
recevoir la médaille de
bronze du CNRS.
« Les
sciences m’intéressent depuis que je suis tout petit, puis je me suis
progressivement passionné pour les exoplanètes et la climatologie,
explique Benjamin Charnay. J’ai eu l’occasion de concilier les deux en master
et j’ai poursuivi sur cette voie. »
Chargé
de recherche CNRS depuis 2018 au LESIA, Benjamin Charnay est en effet devenu un
expert en modélisation
de l’atmosphère
des exoplanètes
et de la Terre primitive.
« Ces
modèles numériques des atmosphères permettent d’en comprendre la composition
chimique, la température ou encore la vitesse des vents,
précise Benjamin Charnay. Cela nous aide à interpréter les observations
faites aussi bien au sol que depuis l’espace. Je participe d’ailleurs à la
préparation d’ARIEL, le prochain télescope en orbite de l’Agence spatiale
européenne (ESA). »
Les modèles de Benjamin Charnay se présentent sous deux formes. Les modèles à
une dimension supposent que les différents paramètres sont parfaitement
homogènes. Ces approximations permettent d’explorer de nombreux critères à la
fois pour coller aux observations. Plus lourds et plus précis, les modèles en
trois dimensions sont dérivés des grands modèles climatiques, tels que ceux
utilisés par le GIEC. « Leur
niveau de détail est essentiel pour les exoplanètes proches de leur étoile, qui
subissent des contrastes extrêmes de température entre le jour et la nuit »,
explique Benjamin Charnay.
Ces modèles s’appliquent également à l’étude des naines brunes, des objets de
masse intermédiaire entre les exoplanètes et les étoiles. Ces dernières
connaissent une phase de transition où elles changent de couleur au fur et à
mesure qu’elles se refroidissent. Les modèles de Benjamin Charnay vont dans le
sens des observations et de l’hypothèse privilégiée, selon laquelle ce phénomène
serait dû à la disparition de nuages de fer et de silicate des hautes couches de
l’atmosphère.
Ses modèles aident aussi à comprendre comment la Terre primitive est devenue
habitable, malgré des conditions d’ensoleillement qui n’y étaient alors pas
favorables. Benjamin Charnay a également contribué à montrer que la Mars
primitive était habitable pour des microorganismes méthanogènes.
De
plus, Benjamin Charnay a reçu le
Prix
Jeune Chercheur
de la Société Française d’Exobiologie 2023. Il est basé à Meudon.
Aujourd’hui il
nous parle d’exoplanètes et d’atmosphères exoplanétaires.
Plan de la
présentation :
1
Quelle est la
diversité des systèmes exoplanétaires ?
2
Qu’est ce qui rend
une planète habitable ?
3
Y-a-t-il de la vie
sur les autres planètes ?
DIVERSITÉ DES SYSTÈMES EXOPLANÉTAIRES.
Très succinct :
Première
exoplanète : Mayor et Queloz en 1995, qui mènera au Prix Nobel de physique en
1995.
Le nombre
d’exoplanètes explose de plus en plus.
Définition d’une
planète et d’une exoplanète.
Une exoplanète est un corps céleste :
·
dont la masse est
inférieure à la masse limite pour la fusion du deutérium (M < 13 MJupiter)
·
qui est en orbite
autour d’étoiles, de naines brunes ou de résidus d’étoile, dont le rapport de
masse avec l’objet central permet la stabilité des points de Lagrange L4 et L5
(M/Mcentral < 1/25)
·
Qui a une masse
suffisante pour parvenir à un équilibre hydrostatique et nettoyer le voisinage
de son orbite
Les premières
découvertes ont lieu grâce à la méthode des
vitesses radiales.
On détecte le
faible mouvement d'une étoile qu'une (ou plusieurs) planète orbite ; car
l'ensemble tourne autour de leur centre de gravité commun
Les vitesses
radiales à mesurer sont extrêmement faibles, par exemple la présence de Jupiter
autour du Soleil induit une vitesse radiale du mouvement du Soleil de 12m/s,
notre Terre par contre, elle induit une variation de….9cm/s. on se rend compte
de la précision de mesure nécessaire.
Mais
la méthode la plus efficace est celle
des transits.
Une planète
(invisible depuis la Terre), passe devant son étoile régulièrement ; l'éclat de
l'étoile diminue légèrement.
C'est cet
affaiblissement de luminosité que l'on détecte pour affirmer la présence de la
planète.
Une animation du
transit d'une planète devant son étoile.
C'est le même
genre de phénomène que l'on a observé avec Vénus lors de son passage devant le
Soleil le 8 Juin 2004.
Signalons que l’on
tire aussi des informations du passage de la planète DERRIÈRE son étoile, c’est
un
transit secondaire
ou une éclipse secondaire.
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.
Le grand intérêt
des transits est aussi de pouvoir accéder à la composition des atmosphères
planétaires.
En effet lors du
transit on peut par spectroscopie étudier l'atmosphère de la planète.
|
Calcul
des probabilités de transit et de sa profondeur
Rp =
rayon planète
Rx =
rayon étoile
D’après les slides du conférencier |
|
Remarquons que ces
deux méthodes sont complémentaires, en effet :
·
Les vitesses
radiales permettent d’avoir une info sur le rayon
·
Les transits
donnent une idée de la masse, d’où la densité couplée avec l’info précédente.
Le grand
découvreur d’exoplanètes : le télescope spatial Kepler. À ce jour plus de 3000
exoplanètes
Il est maintenant
déconnecté.
Nous en avons
beaucoup parlé sur ce site,
voir le dossier
dédié.
Un autre grand
découvreur qui prend la suite : le télescope spatial TESS qui est en train de
battre le record de Kepler.
Il est dédié
principalement aux étoiles plus brillantes que celles détectées par Kepler, il
couvre aussi tout le ciel.
Il peut fournir
des futures cibles au JWST.
Voir aussi
dossier dédié.
Ce n’était pas la
mission première de
Gaia,
mais on s’est vite aperçu qu’il détectait aussi un grand nombre d’exoplanètes.
Dans le futur on
compte sur la mission PLATO de l’ESA.
Répartition des
exoplanètes découvertes.
On remarque
différents groupes.
Si le groupe des
super Terres semblent important, on n’en a pas dans notre système solaire.
De plus parmi le
groupe des super Terres et mini Neptunes, il semble qu’il y ait bien deux
groupes bien distincts comme on le remarque
sur ce graphique.
LES ATMOSPHÈRES EX PLANÉTAIRES.
Les différentes
techniques de transit permettent à la lumière de l’étoile de traverser
l’éventuelle atmosphère de la planète et donc ainsi de l’étudier grâce à la
spectrométrie.
Avant le JWST,
avec Hubble on ne pouvait « voir » que les exoplanètes couvertes de nuages.
Maintenant avec le
JWST (qui consacre en cette période près de 30% de son temps aux exoplanètes),
ses instruments sont extrêmement bien adaptés aux atmosphères exoplanétaires.
Le JWST s’est
notamment intéressé à
WASP-43b
ainsi qu’à
WASP 39b.
Concernant
WASP-43b, les mesures
obtenues avec l’instrument MIRI du JWST, combinées à des modèles climatiques 3D
et à d’autres observations, suggèrent
la présence de
nuages épais et denses
du côté nuit, un ciel dégagé du côté jour.
Ensuite notre
conférencier nous parle de l’exoplanète
K2-18 b (découverte
par Kepler en mode « froid » comme son indice l’indique).
K2-18 b est une
planète dont le type ne se trouve pas dans notre système solaire, sa taille est
entre la Terre et Neptune, et suivant les humeurs on l’appellera super Terre ou
mini Neptune. Sa masse serait de l’ordre de 8,6 fois celle de la Terre.
Mais orbitant
autour d’une naine rouge (donc plus froide que les autres étoiles) elle se
trouve malgré ses 33 jours de période orbitale dans la zone habitable. Nos amis
de la NASA l’appelle exoplanète Hycean, condensé de planète avec atmosphère
d’Hydrogène et planète océan, car on pense qu’elle pourrait voir un océan d’eau
à sa surface. Ce serait une mini Neptune « tempérée ».
Néanmoins on a du
mal à imaginer qu’elle puisse abriter la vie, mais on ne sait jamais…..
Il se trouve
qu’après analyses avec Hubble, c’est le Webb qui s’est penché dessus :
Et il a trouvé du
CH4 (à 5 sigmas) et du CO2 (à 3 sigmas) dans son atmosphère.
Spectre de K2-18 b
obtenu avec les spectrographes NIRISS (Near-Infrared
Imager and Slitless Spectrograph)
et NIRSpec (Near-Infrared
Spectrograph) du Webb. On remarque l’abondance des raies du Méthane et de
l’Hydrogène
Une présence de
DMS (sulfure
de diméthyle)
est aussi détectée, ce qui est intéressant
car pourrait être un signe de présence d’une certaine forme de vie.
Crédit : : NASA,
CSA, ESA, R. Crawford (STScI), J. Olmsted (STScI), N. Madhusudhan (Cambridge
Univ)
En plus on
remarque une absence d’ammoniac, ce qui associé à la présence de DMS (Sulfure de
Méthyle, à vérifier) émis sur Terre par le phytoplancton, pour les scientifiques
de la NASA indiquerait la présence d’eau liquide à la surface. Mais il se
pourrait aussi que l’océan soit trop chaud.
La planète Cancri 55-e
Le télescope
spatial James Webb (JWST) vient de découvrir pour la première fois une
atmosphère autour d’une exoplanète « rocheuse », elle s’appelle 55 Cancri e
(aussi nommée Janssen) qui orbite autour d’une naine jaune à 41 al de nous, donc
très proche.
Elle est deux fois
plus grande que notre planète et est malheureusement très proche de son étoile,
60 fois plus proche que nous de notre Soleil, ce qui a des conséquences :
·
Sa surface est en
fusion permanente
·
Si près, elle est
« synchronisée » donc présente la même face à son étoile, une face super chaude
et une face super froide.
Les
spectro-imageurs ont fait appel à la spectroscopie
du transit
secondaire.
Les différentes mesures ont montré que contrairement à ce que l’on attendait :
une température côté étoile de 2200 °C, due à la couche de lave sombre fondue,
on a mesuré une température « plus basse » de 1540 °C.
D’après les
scientifiques cela est le signe qu’il existe une redistribution de l’énergie
entre les deux hémisphères et que cela ne peut être que dû à une …atmosphère (ou
à un océan magmatique) ! De plus les relevés indiquent qu’elle serait composée
de CO et/ou CO2.
Crédit : NASA,
ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), R. Hu (JPL), A. Bello-Arufe (JPL), M. Zhang (U of
Chicago), M. Zilinskas (SRON)
Y A-T-IL DE LA VIE SUR LES EXOPLANÈTES ?
On définit la
notion bien connue de
zone habitable.
Un grand pas vers
la possibilité de trouver de la vie ou du moins des conditions favorables à la
vie, vint de la découverte du système Trappist 1
L’acronyme
signifie : TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope, est un
télescope IR automatique de 60cm, de nos amis Belges (mais aussi le nom d’une
fameuse bière Belge !!), situé à La Silla au Chili, il est automatique et dédié
à l’étude des transits exoplanétaires pour étoiles peu lumineuses. Il est
contrôlé par les astronomes à partir de la Belgique. Ce genre de transits n’est
pas détectable à l’aide des autres télescopes terrestres ou spatiaux car ils
sont plutôt axés sur des étoiles beaucoup plus grosses et lumineuses. Le
télescope Trappist est donc axé sur les petites étoiles (naines brunes) dont les
exoplanètes sont plus faciles à détecter.
Elles sont à
priori toutes rocheuses
On a identifié 3
planètes (Trappist 1e, f, g) parmi les 7 planètes, qui sont dans la zone
habitable.
Si près de leur
étoile, elles ont toutes les chances d’être synchrones à cause des forces de
marée puissantes (elles présentent la même face vers l’étoile, comme la Lune
vers la Terre, on dit tidal locked en anglais).
Crédit : NASA/JPL
Ce seraient des
planètes moins denses que la Terre ou Vénus, pauvres en Fer et peut-être riches
en eau.
Les études
montrent que 1b et 1c n’ont pas d’atmosphère riche en CO2.
On a beaucoup
d’espoir pour 1e qui nécessite de longues heures d’observation.
Les
premiers spectres
ont déjà été simulés par le NIRSpec mais ils doivent être confirmés avec plus
d’observations.
On peut voir sur
cette vidéo les différents passages en transit des 7 planètes détectées par
Spitzer jour après jour.
En conclusion :
Ce graphe situant
les principales exoplanètes qui pourraient avoir une atmosphère.
Coin supérieur
gauche : les moins probables
Coin inférieur
droit : les plus probables.
D’après K. Zahnle
et D. Catling
POUR ALLER PLUS LOIN :
Mini-Neptunes can Lose gas and Turn Into Super-Earths
Clouds blanket the night side of the hot exoplanet WASP-43b
Nightside clouds and disequilibrium chemistry on the hot Jupiter WASP-43b
Quel temps fait-il
sur l’exoplanète WASP-43 b ?
Clouds blanket the night side of the hot exoplanet WASP-43b
Webb Discovers Methane, Carbon Dioxide in Atmosphere of K2-18 b
James Webb nous
étonne avec l'exotique mini-Neptune K2-18 b et ses molécules
NASA’s
Webb Hints at Possible Atmosphere Surrounding Rocky Exoplanet par
le JPL.
Indices d'une possible atmosphère autour d'une exoplanète rocheuse
Exoplanètes Trappist-1 :
CR de la conf IAP par J Leconte du 8 Janv 2019
Exoplanètes :.Composition
similaire pour les planètes de TRAPPIST-1!
Exoplanètes :.Les
trappistes sont de retour !
The Detectability and Characterization of the TRAPPIST-1 Exoplanet Atmospheres
with JWST
Quelques comptes
rendus de conférences sur les exoplanètes :
Les exoplanètes :
CR de la conférence de M Mayor à l'IAP du 2 Mai 2006 à l'IAP
Les exoplanètes :
CR de la conf SAF du 12 Fev 2020 par A Lecavelier des Étangs.
Les exoplanètes, mondes nouveaux :
CR de la conf SAF de R Ferlet du 8 Oct 2014
Les exoplanètes dans la Voie Lactée :
CR de la conf SAF d’Arnaud Cassan du 14 Déc 2016.
PROCHAINE RÉUNION DE LA COMMISSION DE PLANÉTOLOGIE :
À DÉFINIR.
PROCHAINE CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF :
Prochaine conférence SAF. : le mercredi 12 Juin 2024
(CNAM amphi Grégoire°) 19 H
avec Jacques
LASKAR directeur
de recherche CNRS à l'Observatoire de Paris - PSL (IMCCE)
sur « VERS
UN SCÉNARIO COHÉRENT POUR L'ÉVOLUTION DU SYSTÈME TERRE-LUNE »
Réservation comme d’habitude à
partir du 16 Mai 9h00 ou à la SAF directement.
La suivante : le 11 Sept avec Alain Riazuelo qui nous parlera de trous noirs.
Bonnes Vacances : Transmission en direct sur le canal YouTube de la SAF :
https://www.youtube.com/channel/UCD6H5ugytjb0FM9CGLUn0Xw/feautured
Ensuite la pause estivale, reprise le 11 Sept avec Alain
Riazuelo qui nous parlera de trous noirs.
Bon
ciel à tous
Jean
Pierre
Martin
Secrétaire de la commission de planétologie de la SAF
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