Vue d'artiste de l'évaporation de HD209458b

Axes de recherche

Milieu interstellaire

Exoplanètes: Vélocimétrie radiale

Exoplanètes: Caractéristiques orbitales et obliquité

Exoplananètes: l'évaporation des Jupiters-chauds

Exoplanètes: recherche d'emission radio.

Exocomètes: recherche et caractérisation

Planètes extrasolaires

Atmosphères et intérieurs des planètes géantes

Magnétisme et activité solaire

Etoiles de masses intermédiaires et massives

Physique des étoiles jeunes et variables

Spectro-imagerie des milieux gazeux étendus

Classification des étoiles à émission avec le satelitte GAIA

Milieu interstellaire

L'espace entre les étoiles (le milieu interstellaire) contient du gaz et des poussières. Cette matière est la phase intermédiaire alimentée par les étoiles déjà mortes et constituant la matière première de celles à naître. L'étude de l'abondance des différents éléments et de la structure physique de ce milieu permet de comprendre la formation des étoiles et l'évolution de la Galaxie, ainsi que l'enrichissement en éléments lourds synthétisés au cœur des étoiles.

Exoplanètes: Vélocimétrie radiale

Le spectrographe SOPHIE a été mis en service en 2006 au télescope de 193 cm de l’Observatoire de Haute-Provence. Il présente de meilleures sensibilité et précision que l’instrument ELODIE, auquel il a succédé. Il s’agit d’un spectrographe échelle, alimenté par fibres optiques et placé dans un environnement stabilisé. Il est parmi les instruments qui permettent de réaliser les mesures de vitesses radiales les plus précises au monde. Un consortium d’une vingtaine de chercheurs européens s’est constitué afin de mener un programme ambitieux et compétitif de recherche et de caractérisation de planètes extrasolaires. Il est organisé en cinq sous-programmes, visant à 1) rechercher les planètes de petites masses à haute précision, 2) détecter et étudier les planètes géantes, 3) rechercher les planètes autour des naines M et 4) des étoiles précoces, et enfin 5) rechercher les planètes à longues périodes en utilisant les données ELODIE (dont certaines remontent à 1994). Le consortium obtient en moyenne plus d’une centaine de nuits d’observation par an sur SOPHIE. De nombreux résultats ont d’ores et déjà été obtenus dans le cadre de ce consortium. Plusieurs nouvelles planètes et naines brunes ont été détectées et publiées.

Exoplanètes: Caractéristiques orbitales et obliquité

De nombreux transits d’exoplanètes ont également été observés en spectroscopie avec SOPHIE, permettant ainsi de mesurer l’obliquité de ces systèmes. Nos observations de la planète XO-3 nous ont ainsi permis de publier le premier cas de non-alignement entre l’axe de rotation stellaire et l’axe de révolution de la planète (Hébrard et al. 2008). Ce résultat a été confirmé par des observations Keck, et depuis de nombreux autres cas de non-alignement ont été détectés, y compris sur des orbites rétrogrades. L’ensemble de ces résultats remet en cause la migration dans un disque comme modèle standard et unique permettant d’expliquer l’origine des planètes géantes proches de leur étoile, et a suscité de nombreux travaux théoriques.

Exoplananètes: l'évaporation des Jupiters-chauds

En 2003, l'équipe "exoplanètes" de l'IAP avait observé HD209458b avec le Télescope Spatial Hubble (HST) pour chercher l’hydrogène atomique HI avec la raie UV Lyman-alpha, ce qui avait conduit à la découverte de l’évaporation de cette planète. Avec un taux d’échappement de 1e10 g/s, le nuage d’hydrogène cache 15% de la surface de l’étoile, une taille plus grande que le lobe de Roche, et les atomes sont observés à une vitesse de plus de 100 km/s, dépassant la vitesse d’échappement. La découverte de la présence du carbone et de l’oxygène dans l’atmosphère supérieure de cette planète a démontré que la planète s’évapore dans un régime hydrodynamique, un processus similaire à celui qui a probablement éliminé l’atmosphère primitive de la Terre. Elles ont été confirmées avec le nouveau spectrographe COS du HST. Grâce à des observations HST, le nuage d’hydrogène d'un autre Jupiter-chaud, HD189733b, a été détecté et la planète s’évapore aussi avec un taux d’échappement de ~1e9 g/s. C’est le deuxième cas d’évaporation d’une planète extrasolaire. Les dernières observations de HD189833b dans la raie Lyman-alpha ont aussi mis en évidence des variations temporelles dans l'atmosphère de cette planète; il s'agit de la première observations de variations de type météorologique observées dans l'atmosphère d'une exoplanète.

Exoplanètes: recherche d'emission radio.

La détection de l'émission de radio d'une planète extrasolaire serait une étape majeure dans la caractérisation de ces planètes et de leur environnement. Une telle observation pourrait fournir des informations sur le champ magnétique planétaire et l'interaction de la planète avec le champ magnétique stellaire et la couronne. Il y a déjà eu quelques recherches d'émission radio dans le domaine décamétrique (f<~80 MHz) pour quelques planètes extrasolaires. Toutes ces recherches ont donné un résultat négatif. Pourtant, la détection d'émission radio des planètes extrasolaires les plus proches est actuellement réalisable si ces planètes émettent un flux mile à dix-mille fois supérieur à celui de Jupiter. Les conditions extrêmes des "Jupiters-chauds'' et les lois d'échelle pour les émissions radio permettent d'envisager une telle situation. Toutefois, toutes les estimations théoriques de l'émission maser cyclotron décamétrique impliquent plusieurs inconnues, par exemple, les vents stellaires, la densité coronale, et les champs magnétiques stellaires et planétaires. Jusqu'à présent, seules des non-détections ont été rapportées. Les principaux contributeurs au niveau de bruit à ces basses fréquences sont le fond de ciel, les interférences radio, et la scintillation ionosphérique. Par conséquent, les observations interférométriques de haute sensibilité et à haute résolution sont très prometteurs. Ainsi, le Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT situé près de Khodad en Inde), un interféromètre de 30 km comprenant 30 antennes de 45 mètres de diamètre chacune, semble être le télescope de choix. Nous avons donc entrepris un vaste programme de recherche d'émission radio avec le GMRT. Notre programme repose sur l'idée originale de l'utilisation des éclipses de planètes en transit par l'étoile pour discriminer toute émission planétaire d'éventuelles contributions stellaires ou d'arrière-plan. Nous avons obtenu des observations de plusieurs planètes ("Jupiters-chauds" et "Neptunes-chauds"), dans plusieurs domaines de fréquences. Pour HD189733b, nous avons obtenu des valeurs limites supérieures avec une sensibilité améliorée de plus d'un ordre de grandeur par rapport aux observations précédentes obtenues par d'autres équipes à des fréquences similaires. Pour HD209458b, les observations donnent également un résultat négatif avec une limite supérieure de ~2mJy à 150 MHz. Le résultat le plus prometteur étant une détection marginale d'un transit secondaire à 150 MHz pour l'éxoplanète de type Neptune-chaud: Hat-P-11. Si cette détection était confirmée, il s'agirait de la première détection d'une exoplanète en onde radio.

Exocomètes: recherche et caractérisation

Planètes extrasolaires

A l'instar du soleil avec son cortège de planètes, de comètes et d'astéroïdes, de nombreuses étoiles de la Galaxie sont probablement entourées de planètes et de petits corps. L'étude de ces systèmes est un domaine récent de l'astrophysique ; il nous éclaire sur la formation et l'évolution des systèmes planétaires. En particulier, les systèmes planétaires jeunes sont extrêmement actifs, entourés de "disques circumstellaires" et de nombreuses comètes. Malgré la très grande variété des systèmes planétaires extra-solaires découverts aujourd'hui, aucun ne ressemble au système solaire. Ceci soulève des interrogations sur la possible originalité du système solaire et sur les conditions nécessaires à l'apparition de la vie.

Atmosphères et intérieurs des planètes géantes

La connaissance de la composition des planètes géantes, en particulier celle de Jupiter (directement reliée à la compréhension de la formation du système solaire) est renouvelée par l'utilisation d'une instrumentation de pointe. En particulier grâce aux télescopes spatiaux HST et FUSE, aux instruments au sol BEAR et FTS, il est possible de déterminer avec précision le rapport D/H, d'étudier des phénomènes d'aurore planétaire, d'accéder à la sismologie des planètes géantes.

Magnétisme et activité solaire

L'analyse et la simulation numérique du transfert de rayonnement, notamment dans les raies d'absorption les plus intenses des atmosphères stellaires, est la principale méthode utilisée pour modéliser les atmosphères stellaires, la convection et la turbulence. Des raies sont en fait mesurées en émission immédiatement au dessus de la photosphère, en regardant au bord d’un Soleil occulté par la Lune durant une éclipse totale (sans lumière parasite provenant du disque). Plus haut des raies chaudes apparaissent en émission, dans la chromosphère et la couronne. Les modèles 1D sont devenus totalement inadéquats et la transition photosphère-chromosphère-couronne doit être modélisée en prenant en ligne de compte les structures telles que boucles et spicules. Cette transition révèle donc l'activité magnétique résultant des effets dynamo locaux, de la dynamique à grande échelle et de la reconnexion des lignes de champ.

Les domaines d'application sont étendus, telles que effets relativistes dans les interactions photon-matière, reconnexions magnétiques et points neutres multiples, formations des vents lents dans les grands jets coronaux et éjection de plasmoides, ou vents rapides récurrents des trous coronaux, ou éruptions sporadiques dans les régions actives. Les phénomènes dynamiques étudiés dans la couronne solaire forment un ensemble multi-échelles qui comprend surtout les flares et les CME (éjections de masses coronales) si importants pour une nouvelle discipline naissante, la météorologie de l'espace.

Par ailleurs, des observations ciblées aux récentes éclipses totales de Soleil ont permis de collecter des spectres 2D qui complètent parfaitement les données collectées dans l’espace (missions Trace, Stereo, Hinode, SDO). En plus, des images de la couronne solaire permettent d’étudier, grâce à la polarimétrie, la composante poussiéreuse plus loin dans la couronne avec comme sous produit, l’analyse de points neutres du vecteur polarisation. Enfin le chrono-datage GPS rapide durant l’occultation du Soleil par la Lune et l’analyse spectrale du très fin croissant entre les montagnes lunaires, permet de préciser la valeur du diamètre solaire en support sol à la mission spatiale Picard.

Etoiles de masses intermédiaires et massives

La rotation rapide des étoiles moyennement massives et massives (3 à 50 masses solaires) change le gradient thermique des couches de l'enveloppe stellaire en les rendant instables à la convection. Comme dans le Soleil, ces régions peuvent alors présenter des profils de vitesse angulaire dépendant du rayon et de la latitude, qui induisent une distribution non-homogène de la gravité et de la température sur la surface stellaire : c'est le phénomène d'assombrissement gravitationnel. Ceci affecte sensiblement le spectre stellaire, qui contient l'information sur les propriétés physiques de l'étoile.

La modélisation que nous faisons de ces phénomènes montre que les techniques d'analyse spectroscopique et interférométrique actuelles sont à même de détecter les signatures de la rotation différentielle en surface. Une meilleure description des caractéristiques de ce phénomène permettrait alors de mieux comprendre les mécanismes qui produisent la redistribution du moment angulaire et le mélange des éléments chimiques, essentiels dans l'étude de l'évolution des populations stellaires au sein des galaxies.

Pour étudier la rotation différentielle nous avons mis en place une collaboration internationale impliquant la France (Institut d'Astrophysique de Paris, Observatoire de la Côte d'Azur avec son instrument interférométrique VEGA/CHARA et l'Observatoire de Paris-Meudon), la Belgique (Observatoire Royal de Belgique), l'Argentine (Observatoire de La Plata) et l'Observatoire Européen Austral (ESO, Chili).

Physique des étoiles jeunes et variables

Les variables de types T Tauri et Herbig Ae/Be sont des étoiles jeunes (de masses comprises entre 0.3 et 3 masses solaires) encore associées aux nuages moléculaires dans lesquels elles sont nées. Leur étonnante activité dans tous les domaines de longueur d'onde est attribuée à la présence de disques circumstellaires interagissant avec l'étoile ainsi qu'à des phénomèmes magnétiques de type solaire. Les questions principales concernant la physique de ces objets touchent à la relation entre les disques circumstellaires et les jets moléculaires et atomiques collimatés souvent associés à ces étoiles, ainsi qu'à l'évolution du disque depuis sa formation jusqu'au stade protoplanétaire.

Spectro-imagerie des milieux gazeux étendus

La technique de spectroscopie par transformation de Fourier (FTS) constitue un outil privilégié pour l’analyse de la composition chimique des atmosphères stellaires et planétaires au moyen de la haute résolution spectrale. Le couplage d’un tel instrument avec des détecteurs bidimensionnels pour former un "FTS imageur" permet d’associer un champ à la spectroscopie, en constituant ainsi une nouvelle classe de spectromètre dit à champ intégral, où les spectres de tous les points résolus du champ sont enregistrés simultanément. Il devient alors possible de déterminer la distribution spatiale d’une espèce donnée, sa cinématique, ses conditions physiques. Cette méthode permet de concilier un grand champ avec une haute résolution spectrale, la rendant particulièrement adaptée pour l’étude des milieux gazeux étendus, atomiques et moléculaires.

Les principaux domaines d’application galactique sont les régions de formation stellaire, le Centre Galactique, le milieu interstellaire dans les amas d’étoiles jeunes, les nébuleuses planétaires proches, les restes de supernovae, les comètes près du périhélie. Dans le domaine extragalactique, la détection globale du gaz dans les galaxies proches, dans les amas de galaxies peut être abordée.

A partir de l’expérience acquise avec le premier FTS imageur (BEAR) en service sur le télescope CFH, qui offrait un champ de 24’’ et a permis la spectro-imagerie dans le proche infrarouge (raies Brγ, HeI, H2 …) de plusieurs nébuleuses planétaires, de la mini-spirale dans le Centre Galactique, des émissions aurorales de Jupiter, un projet à grand champ (12’) a été proposé. Ce projet nommé SITELLE (Spectromètre Imageur à Transformée de Fourier pour l’Étude en Long en Large de raies d’Emission), pour le domaine 350 – 950 nm, est développé en étroite collaboration avec l’Université Laval (Québec) et le constructeur ABB/BOMEM, pour la nouvelle instrumentation du télescope. L’instrument devrait voir ses premiers tests sur le ciel fin 2012, offrant une capacité unique pour l’étude globale de tous ces différents milieux diffus.

Classification des étoiles à émission avec le satelitte GAIA

Dans le cadre de la préparation de la mission spatiale Gaia nous participons au développement de logiciels au sein de la CU6 et de la CU8. En particulier, dans le cadre de la CU8, nous implémentons des algorithmes et des procédures qui devraient permettre l'identification et la classification des étoiles à émission, notamment les étoiles Be. Parallèlement à ces travaux, nous nous préparons, au sein du GREAT (Gaia Research for European Astronomy Training), également à l'exploitation scientifique des données Gaia ainsi que des données au sol qui seront obtenues dans le contexte d'un suivi spectroscopique public que nous espérons pouvoir mener à l'ESO à l'aide du spectrographe GIRAFFE au VLT. Un volet important de cette préparation concernera aussi la détection et le suivi des alertes scientifiques qui seront émises dès les premiers mois de la mission.