D’où viennent les éléments chimiques, du carbone et de l’oxygène au fer et au plomb, qui nous constituent nous-même et notre monde ?
Comme l’a dit William Fowler en recevant le Prix Nobel en 1983, “ Nous sommes tous vraiment et littéralement un petit tas de poussière d’étoiles”. Cela est dû au fait que beaucoup de la matière dont
nous sommes faits a été produite dans les étoiles, où les températures et densités élevées permettent aux réactions nucléaires de produire des éléments chimiques toujours plus lourds.
La quête de l’origine des éléments chimiques implique la physique nucléaire expérimentale et théorique, l’astronomie observationnelle, la modélisation astrophysique et la théorie cosmologique,
car elle nécessite de combiner une expertise à la fois sur les réactions nucléaires elles-mêmes, mais aussi sur les sites astrophysiques où ces réactions se produisent. C’est ce que l’on appelle
l‘Astrophysique Nucléaire.
Les femmes scientifiques ont joué un rôle essentiel dans le développement de l’Astrophysique Nucléaire, en apportant des contributions majeures sous forme d’observations astronomiques, d’identifications visuelles et spectroscopiques, de classifications d’étoiles et de catalogues, de prédictions et de découvertes d’objets stellaires, de conceptions et de constructions d’instruments, de découvertes théoriques et expérimentales de matériaux nucléaires, d’explications physiques, de dérivations mathématiques et d’interprétations chimiques de toutes choses, galactiques et au-delà.
Pour célébrer ces prouesses tout au long de l’année 2021, douze femmes d’exception qui ont aidé au développement de l’Astrophysique Nucléaire sont commémorées sous forme de calendrier. Christine Hampton, qui a conçu le calendrier, explique: ”Avec ce calendrier, nous voulons présenter des modèles féminins pour encourager les jeunes à choisir une carrière en Astrophysique Nucléaire, et pour éduquer tout le monde sur l’impact significatif des femmes, passé et présent, sur le développement de l’Astrophysique Nucléaire.”
“Grâce à un effort d’équipe hors du commun promu par l’action COST ChETEC, nous avons traduit le calendrier en 24 langues différentes” Maria Lugaro, la coordinatrice du projet ajoute “ De cette façon, des personnes de nombreux pays différents pourront en profiter.”
Les principaux sponsors du projet sont l’action COST ChETEC (CA16117, chetec.eu, Chemical Elements as Tracers of the Evolution of the Cosmos), le Join Institute for Astrophysicics (JINACEE) aux États-Unis, et le réseau international pour l’Astrophysique Nucléaire IReNA (International Network for Nuclear Astrophysics).
Contacts:
Ana Palacios (ana.palacios@umontpellier.fr) et William Chantereau
(william.chantereau@astro.unistra.fr) (pour la France)
Maria Lugaro maria.lugaro@csfk.mta.au (pour l’Europe)
Christine Hampton hamptonc999@gmail.com (pour les États-Unis)
SPIRou, le nouveau spectropolarimètre / vélocimètre de haute précision récemment installé au télescope Canada-France-Hawaï (TCFH), a permis de mesurer la masse et la densité d’une planète similaire à Neptune en orbite proche autour de l’étoile très jeune et extrêmement active AU Microscopii (AU Mic). Les mesures ont aussi montré que cette planète chaude, nommée AU Mic b, tourne dans un plan aligné avec l’équateur de son étoile. SPIRou réalise ainsi la toute première mesure de masse et de densité pour une planète aussi jeune. Ces résultats s’inscrivent dans une étude internationale des propriétés de ce très jeune système planétaire récemment découvert, impliquant notamment plusieurs laboratoires français dont le Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (LUPM, Université de Montpellier & CNRS).
Vue d’artiste de la très jeune naine rouge éruptive AU Mic et de sa planète nouvellement découverte, avec au loin le disque de débris qui a donné naissance à la planète. Crédit : NASA-JPL/Caltech.
SPIRou a mesuré pour la première fois la masse de la planète découverte par la sonde spatiale TESS / NASA autour de l’étoile jeune AU Mic grâce aux éclipses régulières que ce Neptune chaud (~300°C) de type Neptune induit tous les 8,46 jours dans la lumière de l’étoile lors de son passage devant le disque stellaire. À partir de cette nouvelle mesure de masse planétaire (de ~17x la masse terrestre) que SPIRou a permise, et du rayon de la planète (de ~4x le rayon de la Terre) estimé à partir des transits observés par TESS, l’équipe a pu obtenir la première estimation de la densité de la planète. Cette dernière se révèle être à peine plus grande que celle de l’eau, soit 4x inférieure à celle de la Terre et étonnamment similaire à celle de Neptune malgré la jeunesse du système planétaire âgé de 22 millions d’années, à comparer aux près de 5 milliards d’années du système solaire. Ce nouveau résultat pose de fortes contraintes sur les temps caractéristiques d’évolution dans les modèles de formation et de migration planétaire.
Du fait de sa jeunesse, la naine rouge de faible masse AU Mic est extrêmement active, avec à sa surface des taches géantes en comparaison de leurs analogues solaires, abritant d’intenses champs magnétiques. Dans un tel contexte, détecter le petit signal de la planète dans le vacarme engendré par l’activité stellaire, est un défi instrumental et observationnel que SPIRou a pu relever avec brio grâce à ses capacités vélocimétriques et polarimétriques uniques. Cette prouesse a nécessité une analyse détaillée des données SPIRou au moyen de techniques numériques complexes, qui ont permis de révéler le signal planétaire par une modélisation précise des phénomènes magnétiques opérant à la surface de l’étoile jeune. AU Mic b devient ainsi la première planète dont la masse et la densité moyenne sont mesurées de manière fiable avec SPIRou, et la première planète jeune pour laquelle ces quantités sont connues.
En observant AU Mic alors que la planète transite devant le disque stellaire, SPIRou a également pu estimer l’inclinaison de l’orbite planétaire, qui se révèle être bien alignée par rapport au plan équatorial de son étoile hôte (un résultat confirmé également par d’autres instruments comme ESPRESSO au VLT/ESO). Cette orbite alignée de AU Mic b est une illustration parfaite de ce que prédit la théorie: les planètes géantes se formeraient loin de l’étoile et migreraient rapidement dans l’environnement circumstellaire immédiat par interaction gravitationnelle entre la planète en formation et le disque. La mesure du champ magnétique stellaire obtenue avec SPIRou au cours du transit a notamment permis une mesure plus fiable de l’inclinaison de l’orbite planétaire.
Le système AU Mic en bref
Vue d’artiste d’un système planétaire jeune. Crédit : NASA’s Goddard Space Flight Center
AU Mic est une jeune étoile située à seulement 32 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Microscope. Avec une masse de la moitié de celle du Soleil et une température d’à peine 3500°C (contre 5500°C pour le Soleil), c’est ce qu’on appelle une “naine rouge”. AU Mic est âgée de 22 millions d’années, soit quelques mois à peine si l’on rapporte la durée de vie d’une étoile (environ 10 milliards d’années) à celle d’un être humain. En 2018 et 2020, la sonde spatiale TESS / NASA a détecté des baisses périodiques dans le flux lumineux émis par AU Mic vers la Terre, baisses qui ont été attribuées à la présence d’une planète en transit devant le disque stellaire. Cette planète a un rayon d’environ 4x celui de la Terre, et ne met que 8,46 jours pour accomplir une révolution autour de son étoile. AU Mic est par ailleurs connue pour posséder un disque de débris de grand diamètre par rapport à l’orbite de la planète, qui constitue une empreinte résiduelle du disque protoplanétaire ayant donné naissance à la planète. Des structures en mouvement dans ce disque ont été détectées et attribuées à la présence d’autres planètes dans le système de AU Mic. De par son jeune âge, l’étoile hôte tourne 5x plus vite sur elle-même que ne le fait le Soleil, ce qui la rend extrêmement active et magnétique, avec de fréquentes éruptions monstrueusement énergétiques, et vient largement bruiter les mesures vélocimétriques. De par sa brillance dans le domaine infrarouge sondé par SPIRou, AU Mic offre de belles perspectives d’observation pour enquêter sur les planètes en orbite autour d’étoiles actives, et apparaît comme un laboratoire idéal pour tester de nouvelles méthodes de détection.
SPIRou au Télescope Canada-France-Hawaii (TCFH)
Vue nocturne du TCFH. Crédit : TCFH / J.-C. Cuillandre
SPIRou est le nouveau spectropolarimètre et vélocimètre de haute précision récemment installé sur le télescope de 3,6 m TCFH situé au sommet du Maunakea sur la grande île d’Hawaï. En utilisant la technique vélocimétrique grâce à laquelle des centaines d’exoplanètes ont déjà été dévoilées, SPIRou est capable de détecter les signaux périodiques induits par des planètes en orbite autour de leurs étoiles hôtes, et d’ainsi mesurer les masses des planètes détectées. SPIRou est également capable d’effectuer en même temps une analyse polarimétrique de la lumière stellaire, permettant aux astronomes de détecter et de caractériser le champ magnétique des étoiles hôtes, et ainsi de caractériser l’activité qui pollue les données vélocimétriques. Fonctionnant dans le proche infrarouge (de 0,95 à 2,55 µm), SPIRou a été optimisé pour la détection des planètes et la cartographie des champs magnétiques des naines rouges et des étoiles jeunes, brillantes dans ce domaine de longueur d’onde. Les performances instrumentales et les capacités scientifiques de SPIRou ont été décrites récemment dans deux articles du consortium international (Donati et al 2020, Moutou et al 2020) sur la base des premières données obtenues avec SPIRou. D’ici la fin de l’année 2021 SPIRou sera secondé par SPIP, un instrument jumeau qui équipera le télescope Bernard Lyot à l’observatoire du Pic du Midi.
Le nouveau spectrographe / spectropolarimètre SPIRou, grâce auquel ces nouveaux résultats ont été obtenus, a été installé au Télescope Canada-France-Hawaii en 2018. SPIRou est un instrument cryogénique refroidi à -200°C, qui doit être régulé en température avec une précision extrême de 0.001°C pour parvenir à détecter des planètes comme celle d’AU Mic. Crédit : SPIRou team / S. Chastanet (CNRS / OMP)
Détecter les planètes avec SPIRou
La vélocimétrie est une technique qui permet de mesurer la vitesse radiale d’une étoile, c’est-à-dire sa vitesse le long de la ligne de visée de l’observateur, en utilisant l’effet Doppler à la manière des radars routiers. Il s’agit de détecter des fluctuations périodiques de la vitesse radiale d’une étoile, fluctuations dont l’amplitude renseigne sur le rapport de masse entre la planète et l’étoile, sur la distance respective des deux corps et sur l’inclinaison et la forme de l’orbite de la planète. AU Mic b parvient à moduler la vitesse radiale de son étoile de ±8,5 m/s, une variation qui se répète régulièrement tous les 8,46 jours; en comparaison, l’activité magnétique à la surface d’AU Mic induit des variations apparentes de vitesse radiale qui peuvent atteindre ±80 m/s en quelques jours.
Cette animation présente le principe de la méthode vélocimétrique employée par SPIRou pour étudier les exoplanètes. Au cours du mouvement orbital de la planète, l’étoile décrit également une orbite mais de dimension nettement plus réduite. SPIRou peut alors mesurer un mouvement périodique alternant entre rapprochement et d’éloignement de l’étoile par effet Doppler-Fizeau. Crédit:ESO / L. Calçada
L’équipe
L’équipe scientifique comprend des chercheurs de plusieurs laboratoires français dont Julien Morin du Laboratoire Univers et Particules de Montpellier (LUPM, Université de Montpellier & CNRS). SPIRou a été financé par divers partenaires en France, Canada, CFHT, Suisse, Brésil, Taiwan, et Portugal. L’instrument SPIP qui équipera bientôt l’Observatoire du Pic du Midi est principalement financé par la région Occitanie.
