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GUIDE PÉDAGOGIQUE POUR LE PRIMAIRE

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Atmosphere des planetes extrasolaires geantes : un modele d'equilibre radiatif

Cedric GoukenleuqueTo cite this version:

Cedric Goukenleuque. Atmosphere des planetes extrasolaires geantes : un modele d'equilibre radiatif. Astrophysique [astro-ph]. Universite Pierre et Marie Curie - Paris VI, 1999. Francais.

HAL Id: tel-00009725

Submitted on 10 Jul 2005

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Universit´e Paris 6

Observatoire de Paris-Meudon

THESE DE DOCTORAT

pr´esent´ee pour obtenir

Le titre de DOCTEUR DE L"UNIVERSIT´EPARISVI

Sp´ecialit´e : M

´ETHODESINSTRUMENTALES ENASTROPHYSIQUE ET LEURS

APPLICATIONSSPATIALES

par C

´EDRICGOUKENLEUQUE

Atmosph`ere des plan`etes extrasolaires

g´eantes : un mod`ele d"´equilibre radiatif

Soutenue le 10 d´ecembre 1999 devant le jury :

Pierre Encrenaz Pr´esident

Bruno B´ezard Directeur de th`ese

Eric Chassefi`ere Rapporteur

Pierre Morel Rapporteur

Caitlin Griffith Examinateur

Tristan Guillot Examinateur

Alain L´eger Examinateur

ii iii

For a moment it seemed that nothing was

happening, then a brightness glowed at the edge of the huge screen. A red star the size of a small plate crept across it followed qui- cklybyanotherone-abinarysystem. Then a vast crescent sliced into the corner of the picture - a red glare shading away into the deep black, the night side of the planet. "I"ve found it!" cried Zaphod, thumping the console. "I"ve found it!"

Ford stared at it in astonishment.

"What is it?" he said. "That ..."said Zaphod, "is the most impro- bable planet that ever existed."

Douglas Adams (1984),

The Hitch Hiker's guide to

the Galaxy iv

Abstract

Direct,and particularlyspectroscopic,observations will allow the determi- nation of the nature and chemical composition of the ?hot Jupiters"?atmos- phere. Preliminarily, it is essential to build a theoretical atmospheric model in order to constrain the observational techniques. In that framework we have developed a radiative equilibriummodel of the Jupiter-like extrasolar planets irradiated by their parent star. The mode- ling determines not only the mean thermal structure, but also the stellar re- flected spectrum and the thermal emission spectrum for planets orbiting the primary from 0.05 to 1 astronomical unit. the model atmosphere is limited at the bottom by an optically-thick cloud. In all cases, a major result is that the modelled atmosphere does not show any temperature inversion in contrast with the giant planets in the Solar Sys- tem. Except for the farthest (and coldest) planet among the sample of the mo- delled planets in this work, we find that the atmosphere is subadiabatic in the whole grid of pressure. This result validates the hypothesis of radiative equi- librium. We also discuss the vertical distribution (conditional upon the orbital distance) of the chemical species in the atmosphere , assuming solar elemental abundances. The thermal emission spectra are dominated by the bands of water vapor, seen in absorption, and reveals a window in the 4-micron region. Compared to the latter, a flux peak is more and more strong at 10 microns for the coldest planets of the sample. Finally, we investigated the detectability of spectral signatures from ?hot

Jupiters

?, using the ground-based giant telescopes (VLT, Keck,...) in non- interferometric mode. Synthesized spectra have been calculated for 51 Peg b (T eff ?1200 K) in theν3band of methane and in the fundamental band of carbon monoxide. vi

Remerciements

Je voudrais tout d"abord remercier chaleureusement Bruno B´ezard pour la confiance qu"il m"a accord´ee dans la conduite de mon travail. Sa grande modestie cache en r´ealit´e un savoir et une facult´e d"analyse des probl`emes assez impressionnants, qui m"ont fortement aid´e dans ma tˆache. Bien que tr`es disponible pour r´epondre `a des questions dans un domaine nouveau, il m"a laiss´e malgr´e tout une grande part d"autonomie `a laquelle j"aspirais. Mes remerciements vont aussi `a Emmanuel Lellouch pour la co-direction (officieuse!) de cette th`ese. Ces conseils m"ont ´et´e tr`es pr´ecieux dans la pr´eparation des diff´erents colloques internationaux auxquels j"ai pu partici- per. Je le remercie aussi d"avoir relu mon manuscript de th`ese pendant ses observations `a l"IRAM, affrontant les ´el´ements d´echain´es des sommets cana- riens (version romanc´ee ...). Un grand merci g´en´eral aux autres membres de mon jury pour avoir ac- cept´e de rapporter ou d"examiner mon manuscript : Eric Chassefi`ere, Tristan Guillot, Alain L´eger et une reconnaissance particuli`ere`a Caitlin Griffith, qui, outre le fait d"avoir accept´e de traverser l"Atlantique etde lire un manuscript en franc¸ais, m"a fait l"honneur de m"inviter `a parler en tant que ?solicited speaker ?`a un workshop r´eunissant la crˆeme des sp´ecialistes sur les plan`etes extrasolaires et les naines brunes. Je voudrais remercier aussi Pierre Encrenaz, un personnaged"un charisme et d"une humanit´e extraordinaire. Ses encouragements et la confiance qu"il m"a t´emoign´ee ont ´et´e pour beaucoup dans la r´eussite decette th`ese. Un merci tr`es chaleureux `a Th´er`ese Encrenaz qui m"a offert l"opportu- nit´e de transmettre les r´esultats de mes travaux `a des conf´erences interna- tionales. Bien entendu, je rends aussi hommage aux membres du personnel administratif du DESPA qui se sont occup´es des probl`emes logistiques li´es aux diff´erentes missions que j"ai pu faire. Enfin, mon int´egration dans l"observatoire est fortement due `a la pr´esence d"´etudiants (et non ´etudiants) tous aussi formidables les uns que les autres. Par ordrealphab´etique (pour ne pas fairede jaloux) : Arnaud (linuxien devant l"Eternel), Arturo (chasseur de kangourous et multilingue), Aur´elie (pˆatissi`ere hors-pair), Laurent (un expert `a Doom; grill´e!), Laurence (et ses fous rires), St´ephane (un grand homme!) ainsi que R´enald (maitre `es tartiflette). Merci aussi `a Thierry et Alain pour m"avoir aid´e (ou en avoir eu l"intention!) `a par- faire la pr´eparation de ma soutenance. viii

Table des mati`eresAbstractv

INTRODUCTION1

I Plan`etes extrasolaires : ´etat des lieux 5

1 G´en´eralit´es : plan`etes g´eantes et naines brunes 9

1.1 Plan`etes g´eantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.1 Formation des plan`etes du Syst`eme Solaire . . . . . . . .9

1.1.2 Structure et chimie des plan`etes g´eantes . . . . . . . . .. 11

1.2 Naines brunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3 Gliese 229 B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 M´ethodes de d´etection et d´etermination des param`etres physiques

des exopl.25

2.1 V´elocim´etrie Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2 Projets futurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.1 Astrom´etrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.2 Photom´etrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.3 Autres m´ethodes de d´etection . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3 Catalogue des exoplan`etes connues `a ce jour 31

3.1 Distribution des masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2 Formation des plan`etes proches de l"´etoile . . . . . . . . .. . . . 35

4 Une inconnue... l"atmosph`ere37

4.1 Enjeux de la connaissance des atmosph`eres plan´etaires . . . . . 37

4.2 L"atmosph`ere des EGPs proches de leur ´etoile primaire. . . . . 39

5 Aper¸cus des travaux existants de mod´elisation d"atmosph`eres des

EGPs43

5.1 Burrowset al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.2 Seager & Sasselov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

xTABLE DES MATI`ERES

II Mod`ele d"´equilibre radiatif 51

6 Hypoth`ese sur l"´etoile et la plan`ete 55

7 Les bases du mod`ele57

7.1 composition chimique de l"atmosph`ere gazeuse . . . . . . .. . 57

7.2 Nature des nuages au bas de l"atmosph`ere . . . . . . . . . . . . 62

7.2.1 G´en´eralit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

7.2.2 R´eactions de condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

7.3 Synoptique du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

8 Transfert radiatif : calcul des opacit´es 67

8.1 Chauffage de la plan`ete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

8.2 Refroidissement de la plan`ete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

9 R´eflectance du nuage au bas de l"atmosph`ere 71

10 M´ethode num´erique75

III Donn´ees spectroscopiques 79

11 Composants atmosph´eriques en phase vapeur 83

11.1 Spectres d"absorption induite par collisions de H

2. . . . . . . . 83

11.2 Spectres de raies des esp`eces mol´eculaires . . . . . . . .. . . . . 86

11.2.1 H

2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

11.2.2 CO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

11.2.3 CH

4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

11.2.4 NH

3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

12 Nuages : constantes optiques93

12.1 La diffusion de Mie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

12.2 Indices de r´efraction des condensats . . . . . . . . . . . . . .. . 94

13 Estimation des effets du rayonnement UV sur l"atmosph`ere 97

13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

13.1.1 Aperc¸u de la photochimie dans les plan`etes g´eantes du

Syst`eme Solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

13.2 Point de vue ´energ´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

13.2.1 Opacit´e de diffusion Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . 101

13.2.2 Opacit´e d"absorption UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

IV Application `a 51 Peg b 105

14 Param`etres physiques de 51 Peg b 109

TABLE DES MATI`ERESxi

15 Profils de temp´erature111

15.1 Solutions du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

15.2 Influence de la masse de la plan`ete . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

15.3 Rayonnement UV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

16 Spectres de r´eflexion et d"´emission 121

16.1 R´esultats globaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

16.2 Incidence de la phosphine sur le spectre . . . . . . . . . . . . .. 123

17 Alb´edo de Bond et temp´erature effective 129

V Application aux autres syst`emes plan´etaires 131

18 Profils de temp´erature135

18.1 Calculs sans l"opacit´e de NH

3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

18.2 Calculs avec l"opacit´e de NH

3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

19 Spectres de r´eflexion et d"´emission 143

20 Alb´edo de Bond et temp´erature effective 147

VI D´etectabilit´e et perspectives d"observation 149

21 Moyens observationnels disponibles au sol : les grands t´elescopes 153

21.1 La g´en´eration des t´elescopes de 8 m . . . . . . . . . . . . . . .. 153

21.1.1 leVery Large Telescope(VLT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

21.1.2 Gemini . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

21.2 Le Keck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

22 Signatures spectrales des exoplan`etes 159

22.1 Simulation pour un t´elescope de 8 m . . . . . . . . . . . . . . . . 159

22.1.1 Cadre g´en´eral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

22.1.2 Application aux Jupiters chauds . . . . . . . . . . . . . . 160

22.2 Application des spectres synth´etiques `a haute r´esolution pour

des observations au Keck II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

CONCLUSION ET PERSPECTIVES 169

Conclusion171

Perspectives175

ANNEXE I : Calculs de quelques grandeurs physiques 179

Gradient adiabatique181

xiiTABLE DES MATI`ERES

Diffusion Rayleigh183

D´etermination de l"alb´edo de Bond185

ANNEXE II : Publications 189

Bibliographie191

Liste des tableaux201

Table des figures203

Introduction et plan de th`ese

3 La d´ecouverte d"un compagnon substellaire gravitant autour d"une ´etoile de type solaire 51 Peg A, en 1995, a galvanis´e la communaut´edes scientifiques travaillant sur les ´etoiles et sur les plan`etes du Syst`eme Solaire. La pr´esence d"un corps de masse 0.5 `a 2 masses joviennes soul`eve de nombreuses ques- tions, notamment li´ees `a la formation d"un corps si prochede l"´etoile. D"autres questions restent en attente tant que des observations directes des EGPs (Ex- trasolar Giant Planets) ne seront pas men´ees : leur composition chimique, leur dynamique intrins`eque, leur int´erieur. Si l"existence de plan`etes g´eantes au- tour d"autres ´etoiles que le Soleil ne fait plus aucun doute, il n"y a toujours pas de d´etection directe de telles plan`etes. Le Syst`eme Solaire n"a d´esormais plus la primaut´e de poss`eder un syst`eme

plan´etaire. La plan´etologie compar´ee ´etait r´eserv´ee jusqu"`a pr´esent `a des

plan`etes appartenant `a un mˆeme syst`eme stellaire, le Syst`eme Solaire. A pr´esent, elle r´evˆet un autre aspect : elle s"applique essentiellement `a des plan`etes r´esidant chacune dans les 18 syst`emes stellaires observ´es, exception faite d"Upsilon Andromedae, dans lequel on a d´ecel´e la pr´esence d"un syst`eme de trois plan`etes orbitant `a des distances diff´erentes. Depuis les quatre ans pass´es, un grand nombre d"´etudes se concentrent sur la recherche des plan`etes extrasolaires. La techniquela plus fructueuse est la technique des vitesses radiales, qui profite du d´ecalage Doppler des raies de l"´etoile distante induite par la plan`ete orbitant autour. Grˆace `a cette technique, 18 ´etoiles ont r´ev´el´e la pr´esence d"un compagnon substellaire de masse (Msini) inf´erieure `a 13 masses joviennes. Cette derni`ere est connue pour ˆetre la masse critique au-dessus de laquelle l"astre substellaire prend alors le nom de naine brune, qui peut initier pendant les premi`eres ann´ees de sa vie la combustion du deut´erium. Nous pr´esentons ici un mod`ele d"´equilibre radiatif des EGPs que nous avons tout d"abord appliqu´e `a l"atmosph`ere de 51 Peg b. Dans cette th´eorie, le chauffage atmosph´erique r´esulte de l"insolation par l"´etoile, et le refroidis- sement, du rayonnement thermique dans l"infrarouge de la plan`ete. Les pro- fils thermiques `a l"´equilibre sont calcul´es jusqu"`a un niveau o`u se trouve une couche nuageuse optiquement ´epaisse. Le travail de cette th`ese est essentiellement th´eorique,dans la mesure o`u aucune contrainte observationnelle ne peut ˆetre fournie jusqu"`a maintenant, soit parce que les performances des instruments ne sont pas suffisantes, soit parce que des observations directes n"ont pas encore ´et´e men´ees. L"´elaboration d"un tel mod`ele prend racine dans les connaissances que nous ont fournies les plan`etes g´eantes du Syst`eme Solaire, connaissances qui proviennent des sondes spatiales ou des observations au sol. Ces exp´eriences sont ´evidemment inconcevables lorsqu"il s"agit d"´etudier une plan`ete situ´ee `a plus de 10 pc de notre syst`eme stellaire! Dans la premi`ere partie de ce rapport, je dresse un bilan desconnaissances acquises sur les plan`etes extrasolaires d´ecouvertes `a ce jour. Je fournis une liste exhaustive des plan`etes et des corps substellaires en g´en´eral gravitant

4Introduction et plan de th`ese

autour d"´etoiles de type solaire, ou plus chaudes, ou plus froides. Une revue des diff´erentes m´ethodes de d´etection indirectes qui ont conduit ou non `a la d´ecouverte de plan`etes extrasolaires sont expos´ees et expliqu´ees sommaire- ment. Cette partie aboutit `a un point essentiel, celui de connaitre l"atmosph`ere de telles plan`etes. La seconde partie traite du mod`ele lui-mˆeme dans le cas g´en´eral, ind´ependamment de la distance orbitale et de la masse de la plan`ete `a la- quelle il sera appliqu´e. Elle pr´esente les hypoth`eses qui servent de base `a son d´eveloppement, traite le transfert radiatif et les conditions aux limites, et se termine par une pr´esentation exhaustive de la m´ethode num´erique qui conduit `a la d´etermination de la structure thermique. Dans la troisi`eme partie, j"expliquerai le choix des constituants atomiques et mol´eculaires communs `a l"atmosph`ere de ces plan`etes. Les bases de donn´ees n´ecessaires au calcul des opacit´es seront donn´ees, avec une descrip- tion de leur ´elaboration. Dans cette mˆeme partie, on discutera de la nature chimique des nuages et de leur propri´et´es optiques. L"application du mod`ele `a 51 Peg b est trait´ee dans la quatri`eme par- tie. Les param`etres physiques d´ej`a connus de cette plan`ete servent d"outils `a une d´etermination aussi pr´ecise que possible de la structure thermique. Les r´esultats li´es aux profils de temp´erature d"une part, mais aussi aux spectres ´emergents de la plan`ete, seront discut´es. Puisque le mod`ele est d´evelopp´e aussi bien pour des plan`etes tr`es proches de leur ´etoile parente que pour des plan`etes un peu plus ´eloign´ees, une cin- qui`eme partie pr´esente les r´esultats des calculs pour des plan`etes de distance orbitale jusqu"`a 1 UA. Ces plan`etes sont prises dans un ´echantillon de com- pagnons effectivement d´etect´es, mais d"autres sont des plan`etes virtuelles (en masse et en distance orbitale) qui servent `a l"interpr´etation du mod`ele. Enfin, une derni`ere partie se charge d"examiner la d´etectabilit´e des plan`etes extrasolaires g´eantes, notamment celles dans le voisinage proche de l"´etoile primaire, puisque ce sont ces mˆemes plan`etes, qui abondamment chauff´ees par l"´etoile sont susceptibles d"´emettre un flux suffisamment impor- tant pour ˆetre d´etect´ees. Cette approche se fait dans le souci de caract´eriser la composition chimique de la plan`ete. Seront pr´esent´es les diff´erents projets et instruments en cours et `a venir qui peuvent servir cette tentative de d´etection directe.

Premi`ere partie

Plan`etes extrasolaires : ´etat

des lieux

Sommaire

1 G´en´eralit´es : plan`etes g´eantes et naines brunes 9

1.1 Plan`etes g´eantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.1 Formation des plan`etes du Syst`eme Solaire . . . . . . . .9

1.1.2 Structure et chimie des plan`etes g´eantes . . . . . . . . .. 11

1.2 Naines brunes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3 Gliese 229 B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 M´ethodes de d´etection et d´etermination des param`etres physiques

des exopl.25quotesdbs_dbs6.pdfusesText_11