Exoplanètes

Thématiques scientifiques

Au cours des 30 dernières années, l’étude des exoplanètes est passée d’un sujet de niche basé uniquement sur des considérations théoriques à un domaine de recherche majeur au sein de l’astronomie. Notre compréhension empirique de la diversité et de la formation des planètes s’est élargie, passant des quelques planètes de notre système solaire à plus de 5700 exoplanètes, confirmant ainsi que les planètes similaires à celles orbitant autour de notre Soleil sont courantes et que la diversité des exoplanètes est bien plus grande que ce que nous pouvions soupçonner à partir de notre échantillon initial de 8 planètes. Nous vivons une période passionnante pour tout ce qui concerne l’étude de ces nouveaux mondes et nous posons les premières pierres pour la recherche de vie extraterrestre. C’est dans ce contexte que l’équipe Exoplanètes de l’IPAG a été créée il y a 10 ans. Sa naissance, issue de l’ancienne équipe FOST (couvrant un champ plus large car correspondant aux équipes actuelles Odyssey et Exoplanètes), a été motivée par la croissance du thème de recherche sur les exoplanètes au sein de la communauté astronomique française, et particulièrement à l’IPAG.

Nos principaux sujets scientifiques et objectifs de recherches sont :

• Détection des exoplanètes
  • Vers une compréhension des systèmes exoplanétaires dans leur ensemble et dans leur diversité
  • Détecter les planètes qui peuvent être caractérisées.

• Caractérisation des exoplanètes
  • Diversité des atmosphères, des planètes telluriques aux géantes gazeuses.
  • Paramètres fondamentaux des planètes : masses, rayons, luminosité

• Origine de la vie
  • Quelle est la fréquence des planètes habitables ?
  • Quelles sont les limites de l’habitabilité ? Comment rechercher des indices de vie sur des exoplanètes ?
    
    

Pour aller plus loin :

L’équipe est fortement impliquée dans des grands relevés (SPIROU, HARPS, NIRPS) visant à détecter des exoplanètes, particulièrement autour de naines M. Cet effort ciblant les étoiles hôtes peu massives est complété par l’effort initié à l’IPAG de recherche et caractérisation d’exoplanètes par transit avec l’observatoire EXTRA. Ces efforts de détection se nourrissent de plusieurs études de l’équipe centrées sur la compréhension des processus de variabilité et d’activité stellaire qui, en addition de leur impact en physique stellaire, permettent aussi de limiter et d’identifier au mieux l’impact de l’activité stellaire sur la détection d’exoplanètes (faux positifs/négatifs et biais dans la détermination des paramètres). Ces approches ciblent principalement des exoplanètes relativement proches (typiquement <1 UA) de leur étoile. A plus grandes séparations, et dans le cas particulier des systèmes jeunes, l’équipe s’investit fortement dans la détection de planètes géantes, pendant ou juste après leur période de formation, via l’imagerie directe à haut contraste. Ces travaux qui s’appuient notamment sur l’instrument SPHERE sont parfois guidés par des indices dynamiques de présence planétaires, venant des contraintes apportées par GAIA. La détection d’exoplanètes dans ces grands relevés à l’IPAG, par imagerie directe comme par vitesse radiale permet d’apporter des contraintes statistiques robustes sur les populations exoplanétaires, y compris des planètes dans la zone habitable, et de contraindre ainsi les différents modèles de formations planétaires qui sont réalisés dans d’autres laboratoires à travers le monde.

Étant donné le peu de photons qui nous parviennent des exoplanètes, caractériser leurs paramètres physiques offre des défis bien particuliers et s’appuie notamment sur l’obtention du spectre des exoplanètes et la détection de molécules dans leurs atmosphères. Cette information vient assez naturellement avec l’imagerie directe pour laquelle on a accès aux photons émis par la planète elle même, permettant de contraindre la physique atmosphérique dans le cas des planètes géantes. Transit et vitesse radiale, lorsque ces deux méthodes sont combinées, donnent accès à la densité de l’exoplanète étudiée et l’effort de détection cible de manière prioritaire les planètes les plus favorable à une caractérisation atmosphérique. Cela se traduit notamment par la recherche d’exoplanètes autour de naines M, dont la zone habitable plus proche et le contraste favorable aident à la caractérisation des planètes, y compris certaines dans la zone tempérée. En parallèle de cette caractérisation ciblée d’exoplanètes, une partie de l’équipe étudie l’architecture global des systèmes, la présence potentielle de multiples planètes et de poussière et d’exocomètes visibles dans les disques de débris, avec une emphase sur la compréhension de la dynamique gravitationnelle de ces systèmes permettant parfois de prédire l’existence de planètes supplémentaires (comme Beta Pictoris c), voire de les détecter directement et de préciser les masses, via TTV (Transit Timing Variations).

Au delà de l’approche purement astrophysique visant à déterminer la fréquence des système exoplanétaires ayant au moins une exoplanète tellurique dans la zone habitable de leur étoile, les efforts de l’équipe pour travailler sur les questions liées à l’émergence de la vie dans l’univers se structurent principalement via le CDP (« Cross Disciplinary Project ») Origin of Life de l’IDEX UGA financé depuis 2018 et renouvelé en 2021. L’équipe Exoplanète y joue un rôle central, le PI et un des trois Co-I en étant membres. Ce projet réunit neuf laboratoires, principalement en STU et chimie-biologie, ainsi qu’en SHS, autour de questions interdisciplinaires sur l’émergence de la vie, les conditions d’habitabilité et les traceurs de vie extraterrestre. Au-delà des financements, Origin of Life a fédéré une communauté grenobloise autour de ces enjeux scientifiques majeurs, intégrant Exoplanètes à un réseau local plus large. Il nous permet notamment de contribuer à des projets sur la possibilité de photosynthèse sur des planètes orbitant autour des naines rouges, les limites des processus biologiques extrêmophiles en milieux extraterrestres ou encore l’IA appliquée à la détection et caractérisation d’exoplanètes.

Mots clés

Exoplanètes : atmosphères, composition, détection, évolution et dynamique ; disques de débris ; poussière zodiacale ; activité et paramètres fondamentaux des étoiles ; Techniques : haute résolution angulaire, traitement image, spectro-imagerie, interférométrie, vitesse radiale.