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Première découverte d’une exoplanète par imagerie directe pour SPHERE

Jeudi 6 juillet 2017

Installé depuis 2014 sur le Très grand télescope (VLT) de l’ESO au Chili, l’instrument européen SPHERE vient d’obtenir pour la première fois le cliché d’une nouvelle exoplanète grâce à des méthodes de détection directe. A ce jour, seule une poignée d’exoplanètes a pu être observée de manière directe sur les 3600 qui ont été détectées depuis 1995. D’une masse de 6 à 12 fois celle de Jupiter, HIP 65426 b est une planète jeune et massive qui orbite autour d’une étoile brillante à rotation rapide, située dans l’association d’étoiles du Scorpion-Centaure. Cette découverte soulève de nouvelles interrogations sur la formation des systèmes extrasolaires. Cette découverte, réalisée par une équipe internationale comprenant des chercheurs du CNRS, parmi lesquels des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM), soulève de nouvelles interrogations sur la formation des systèmes extrasolaires. Elle sera publiée prochainement dans la revue Astronomy & Astrophysics.

HIP 65426 b est la première exoplanète imagée par l’instrument SPHERE grâce à des méthodes de détection directe. Située à 385 années-lumière du Système solaire, dans l’association stellaire du Scorpion-Centaure, cette géante gazeuse est très éloignée de son étoile : 3 fois la distance entre le Soleil et Neptune, la planète la plus lointaine de notre Système solaire, soit plus de 14 milliards de kilomètres. « C’est une découverte majeure ! », s’enthousiasme Arthur Vigan, chercheur CNRS au LAM et un des principaux auteurs de cette découverte. « Nous avons déjà observé plusieurs centaines d’étoiles et c’est la première nouvelle planète que nous détectons. » Sa masse estimée équivaut à 6 à 12 fois celle de Jupiter et sa température de 1000 à 1400 degrés Celsius. Son spectre révèle l’existence d’eau dans son atmosphère et la probable présence de nuages – des caractéristiques semblables à certaines des exoplanètes imagées jusqu’ici. « Nous allons maintenant l’étudier sous toutes les coutures et la comparer aux autres planètes géantes déjà imagées », précise Arthur Vigan.

Son étoile, HIP 65426, deux fois plus massive que le Soleil, ne semble toutefois pas entourée d’un disque de débris, comme c’est le cas pour la plupart des jeunes systèmes exoplanétaires. De manière surprenante, cette étoile tourne très rapidement, ce qui interroge sur l’origine et la formation de la planète HIP 65426 b. Les chercheurs ont établi deux scénarios possibles pour expliquer ce système singulier. Soit l’exoplanète se serait formée dans un disque de gaz et de poussières et, une fois ce disque dissipé, aurait interagi avec d’autres planètes pour se déplacer vers une orbite si éloignée, soit l’étoile et la planète se seraient formées dans le cadre d’un système binaire stellaire extrême : deux étoiles se seraient formées au même moment mais l’une étant plus massive, l’autre n’aurait pas pu aller jusqu’au bout de son accrétion et serait devenue une planète, HIP 65426 b.

L’instrument SPHERE, installé sur le VLT depuis 2014, a pour principal objectif de détecter et de caractériser, au moyen de l’imagerie directe, des exoplanètes gazeuses et des disques de poussières autour d’étoiles proches du Soleil (jusqu’à quelques centaines d’années-lumière) avec une finesse et un contraste inégalés. Un challenge de taille puisque de telles planètes se situent à proximité immédiate de leurs étoiles hôtes et sont caractérisées par une luminosité très faible. SPHERE est capable de détecter le signal d’une planète jusqu’à un million de fois plus faible que celui de son étoile hôte. A titre de comparaison, l’instrument serait capable de détecter, depuis Paris, la lumière d’une bougie à 50 cm d’un phare situé à Marseille.

La découverte a été faite en grande partie grâce à la caméra IRDIS de SPHERE développée entièrement par le LAM. C’est un succès pour l’équipe d’ingénieurs et d’astronomes du Groupe Système Planétaires (GSP) qui a conçu cette caméra, ainsi que d’autres éléments clés de l’instrument SPHERE. « C’est la consécration de plus de 10 ans de travail sur cet instrument exceptionnel », se réjouit Kjetil Dohlen, l’ingénieur système de SPHERE et IRDIS.

L’outil SPHERE est équipé d’un miroir déformable qui corrige plus de 1200 fois par seconde et à une échelle nanométrique les effets de la turbulence atmosphérique. Une autre technique de l’instrument, la coronographie, permet d’atténuer la lumière de l’étoile pour révéler celle de la planète. Enfin des techniques d’imagerie et de spectroscopie permettent aussi de caractériser leurs propriétés physiques et spectrales.

Les mécanismes de formation, d’évolution et d’interaction des planètes géantes restent difficiles à étudier mais leur compréhension est primordiale car ces planètes représentent la masse la plus importante au sein des systèmes planétaires dont elles façonnent l’architecture. Elles jouent par ailleurs un rôle clef dans la dynamique des planètes telluriques plus petites et semblables à la Terre. Les observations futures de SPHERE seront donc déterminantes pour mieux comprendre l’évolution et la formation des systèmes extrasolaires. Le Groupe Systèmes Planétaires du LAM, auquel appartient Arthur Vigan, est en première place pour continuer ces travaux et imager de nouveaux mondes.

A propos du grand relevé SHINE

Dans le cadre de la campagne d’observation du grand relevé Shine (SpHere INfrared survey for Exoplanets). Le consortium SPHERE est composé de 12 instituts européens majeurs qui ont conçu et construit l’imageur de planète SPHERE pour le Very large telescope de l’ESO : Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble ; Max-Planck-institut für astronomie in Heidelberg ; Laboratoire d’astrophysique de Marseille ; Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en sstrophysique de l’Observatoire de Paris ; Laboratoire Lagrange à Nice ; Onera ; Observatoire astronomique de l’Université de Genève ; Italian national institute for astrophysics coordonné par Osservatorio astronomico di Padova ; Institute for astronomy, ETH Zurich ; Astronomical institute, University of Amsterdam ; Netherlands research school for astronomy (NOVA-ASTRON) et ESO.

A propos du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille dans SPHERE

Au sein de SPHERE, le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) a été responsable de l’ingénierie système de l’instrument et de la caméra IRDIS. Il est maintenant un des responsables scientifiques du relevé SHINE.

Une importante équipe de scientifiques, d’ingénieurs et de techniciens du LAM a travaillé sur le développement de l’instrument VLT-SPHERE. Le LAM a développé la caméra IRDIS (l’instrument principal de SPHERE pour l’imagerie et spectrographie différentielles dans l’infrarouge), des optiques toriques d’extrême qualité optique pour le module optique principal et l’électronique de lecture des détecteurs ultra-rapides de l’optique adaptative. Le LAM a également collaboré de manière étroite avec l’ONERA, responsable de la partie Optique Adaptative de SPHERE.

Le LAM est à présent un des acteurs principaux dans le grand relevé SHINE : il est responsable de l’identification des candidats planètes dans les données et de la caractérisation des nouvelles planètes détectées. En collaboration avec son équipe CeSAM, le LAM développe par ailleurs des outils informatiques, pour la base de données des cibles scientifiques (la Target Data Base) qui sont observées, et pour l’exploitation du relevé dans son ensemble.

Equipe scientifique SPHERE au LAM

Cecile Gry ; Fonction : Exploitation scientifique, Hervé Le Coroller ; CO-I du projet ; Exploitation scientifique ; Responsable de la base de données TDB, Claire Moutou ; Exploitation scientifique, Arthur Vigan ; Exploitation scientifique ; Coordination projet (wp0) et Identification des candidats (wp3)*, Roxanne Ligi : exploitation scientifique (Post-Doc), Alice Zurlo : exploitation scientifique (Post-Doc)

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L’instrument SPHERE équipe un des quatre télescopes géants du Very Large Telescope (VLT) au Chili.

C’est l’un des instruments d’observation astronomique depuis le sol les plus complexes jamais réalisés. Objectif : voir directement les planètes extrasolaires.

Crédit : Claude DELHAYE/ESO/CNRS Photothèque
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L’exoplanète qui orbite autour de l’étoile HIP65426

Cette image obtenue dans le domaine infrarouge proche montre l’exoplanète qui orbite autour de l’étoile HIP65426 dans l’association stellaire du Scorpion-Centaure. La lumière de l’étoile centrale a été masquée par un coronographe. L’exoplanète détectée a une masse comprise entre 6 et 12 fois celle de Jupiter et se situe à une distance égale à 3 fois celle de Neptune autour du Soleil.

Crédit : ESO/SPHERE Consortium/G. Chauvin et al.
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Décomposition spectrale de la lumière de l’exoplanète HIP65426b

Décomposition spectrale de la lumière de l’exoplanète HIP65426b dans le domaine infrarouge proche montrant la présence d’eau dans son atmosphère. Ce spectre peut être vu comme l’empreinte digitale de l’exoplanète.

Crédit : ESO/SPHERE Consortium/G. Chauvin et al.

Voir en ligne : Retrouver ce communiqué sur le site du CNRS

Pour en savoir plus...

Communiqué de presse : Le chasseur d’exoplanètes SPHERE livre ses premières images, le 4 juin 2014
Vidéo CNRS Le Journal : SPHERE, un œil sur les exoplanètes, 2015
Dossier Sagascience : Les Exoplanètes
SPHERE sur le site web de l'Observatoire des sciences de l'Univers de Grenoble