Projet ANR-12-BS05-0012 – Exo-Atmos : Atmosphère et Evaporation des Exoplanètes
Programme : Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Alain LECAVELIER (Institut d'astrophysique de Paris)
Partenaires : Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble; Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble
Montant : 454246.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Atmosphère et Evaporation des exoplanètesLe programme “Exo-Atmos” a pour but de contraindre les exosphères étendues des planètes en évaporation, et les atmosphères plus profondes d'une grande variété d'exoplanètes. Ces objectifs seront atteints par 1) L'observation avec les meilleurs télescopes disponibles : le Very Large Telescope (VLT) et le Hubble Space Telescope (HST); 2) Elargissement de l’échantillon de planètes pour lesquelles l’atmosphère est détectée et analysée; 3) Le développement de simulations numériques.
Exploration observationnelle et théorique de l'atmosphère des exoplanètes.L'objectif du projet est de parvenir à une meilleure compréhension des atmosphères des exoplanètes. Nous souhaitons améliorer nos connaissances sur la diversité de l'atmosphère des exoplanètes, et mieux comprendre l'origine et les facteur clés de cette diversité. En outre, sachant que, sous l'effet de l'évaporation, les atmosphères d'exoplanètes évoluent sur de grandes échelles de temps, nous avons besoin de comprendre les mécanismes déclenchant l'échappement atmosphérique et son impact sur la structure des planètes.Les défis et les difficultés à surmonter sont les suivants:- Actuellement, nous avons très peu de détections atmosphériques et elles apportent qu'un petit nombre de contraintes observationnelles- Les quelques résultats disponibles sont surprenants (la découverte de l'évaporation n'était pas prévue), et ils sont difficiles à interpréter d'un point de vue théorique.Toutefois, ces difficultés peuvent être contournées en  utilisant deux voies:1) l'obtention de nouvelles contraintes observationnelles2) l'obtention de nouveaux résultats théoriques obtenus à partir de simulations informatiques massives.
Observation des transits et simulations numériquesD'ors et déjà, nous avons obtenu une quantité importante de temps d’observation sur le HST et le VLT pour observer l’atmosphère et l’évaporation des exoplanètes. Par exemple, avec 3 programmes HST en 2012, et un programme HST obtenu en 2013 nous observerons un total de 10 planètes (9 exoplanètes + Venus comme benchmark). Cela nous permet de sonder l’atmosphère d’un échantillon de planètes extrasolaires de taille sans précédent, ouvrant ainsi la voie à l’exoplanétologie comparée.   Nous développons des simulations numériques qui ont pour but de mieux contraindre la structure, la dynamique et la composition des atmosphères des planètes observées par spectroscopie des transits. En particulier, une partie significative du temps de calcul est actuellement dédiée aux questions relatives à l’évaporation des planètes proches de leur étoile, un domaine dans lequel notre équipe joue un rôle majeur. Combinées avec le résultat de ces simulations, les observations HST permettent de mieux contraindre les taux d’échappement et les mécanismes d’évaporation.
Résumé de la soumission : La découverte des planètes extra-solaires est une révolution de l’astrophysique moderne qui a un impact non seulement sur notre compréhension de la formation des systèmes planétaires et de leur évolution, mais aussi sur notre vision de la place de la Terre dans l’Univers. Dans ce domaine, des avancées majeures ont été faites en utilisant les observations spectroscopiques des planètes qui transitent devant leur étoile. Avec cette technique, nous avons découvert un phénomène inattendu : l’évaporation des Jupiters-chauds, et nous avons étudié en détail l’atmosphère des exoplanètes HD209458b et HD189733b. Les observations de planètes qui transitent sont maintenant reconnues comme un moyen extrêmement puissant pour sonder les atmosphères des exoplanètes. Le programme “Exo-Atmos” proposé ici a pour but de contraindre d’une part les exosphères étendues des planètes en évaporation, et d’autre part les atmosphères plus profondes d'une grande variété d'exoplanètes, le tout en utilisant la spectroscopie d’absorption devant des transits. Ces objectifs seront atteints par deux moyens : 1) Nous observerons avec les meilleurs télescopes disponibles : le Very Large Telescope (VLT) et le Hubble Space Telescope (HST). 2) Nous allons aussi élargir l’échantillon de planètes pour lesquelles l’atmosphère est détectée et analysée.   En effet, nous avons obtenu une quantité importante de temps d’observation sur le HST et le VLT pour observer l’atmosphère et l’évaporation des exoplanètes. Par exemple, avec 3 programmes HST en 2012 nous observerons un total de 10 planètes (9 exoplanètes + Venus comme benchmark). Cela nous permettra de sonder l’atmosphère d’un échantillon de planètes extrasolaires de taille sans précédent, ouvrant ainsi la voie à l’exoplanétologie comparée. Cependant, pour obtenir le meilleur retour scientifique de ces programmes, un soutien financier substantiel est nécessaire. Ici nous proposons un programme ANR pour soutenir ce travail.  En plus du soutien financier pour des missions et de l’équipement, nous demandons 2 bourses postdoctorales de 2 ans, une pour chacun des deux partenaires du projet.Enfin, nous demandons le soutien financier pour l'acquisition d'un calculateur puissant qui sera dédié à des simulations numériques pour l’analyse et l’interprétation des observations spectroscopiques HST, et la modélisation du gaz en échappement. Ces simulations auront pour but de mieux contraindre la structure, la dynamique et la composition des atmosphères des planètes observées par spectroscopie des transits. En particulier, une partie significative du temps de calcul sera dédiée aux questions relatives à l’évaporation des planètes proches de leur étoile, un domaine dans lequel notre équipe a joué un rôle majeur. Combinées avec le résultat de ces simulations, les observations HST vont permettre de mieux contraindre les taux d’échappement et les mécanismes d’évaporation.A la fin de ce programme de 3 ans « Exo-Atmos », nous visons à une meilleure compréhension de l’atmosphère et de l’évaporation des exoplanètes.
Résultats : L'analyse des observations HST pour caractériser l'atmosphère du plus grand nombre d'exoplanètes est en cours. Ces travaux ont donné lieu à un certain nombre de publications dans des revues à comité de lecture: Ehrenreich et al. 2013; Bourrier et al. 2013; Sing et al. 2013; Vidal-Madjar et al. 2013. 
On notera en particulier le résultat remarquable de la découverte du magnésium neutre qui permet de contraindre la densité électronique dans la haute atmosphère, la thermosphère et la base de l'exosphère (Vidal-Madjar et al. 2013). 
La modélisation de l'échappement atmosphérique a aussi fait des progrès significatifs (Bourrier et al. 2013; Bourrier & Lecavelier 2014). A l'aide des nouveaux modèles que nous avons développés, l'ajustement des observations à Lyman-alpha obtenues avec le télescope Hubble permet désormais de contraindre non seulement le taux d'échappement atmosphérique, mais aussi la vitesse du vent planétaire au niveau de l'exobase. C'est une contrainte importante pour tous les modèles qui visent à comprendre les mécanismes à l'œuvre dans l'échappement atmosphérique des Jupiters-chauds. 
L'analyse d'observations spectroscopique ESO/HARPS a permis de découvrir un nouveau système avec l'évaporation d'exocomètes observées en transit devant l'étoile HD172555 (Kiefer et al. 2013). 
Par ailleurs, une analyse statistique des transits de plusieurs centaines d'exocomètes en évaporation autour de l'étoile Bêta Pictoris a permis de mettre en évidence l'existence de deux familles de comètes dans ce système exoplanétaire jeune (Kiefer, Lecavelier et al., Nature, 2014). 
Enfin, nous explorons les performances des spectrographes multi-objets (comme le nouvel instrument KMOS/VLT) pour la spectroscopie d’atmosphère par transmission.
Perspectives : Le projet avance de manière nominale, avec des résultats très satisfaisants pour l'ensemble des deux partenaires. 
L'arrivée de deux post-docs dans les deux équipes partenaires à la mi-2014 a encore renforcé le projet.
Publications et brevets : 16 articles ont été publiés dans des articles à comité de lecture avec les travaux menés dans le cadre du projet.