Projet ANR-10-BLAN-0504 – GuEPARD : Origine, Dynamique et Atmosphère des Exo-Planètes Géantes
Programme : Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Sciences de l’univers (Blanc SIMI 5)
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Gael CHAUVIN (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES)
Partenaires : Laboratoire d'Astrophysique de Marseille; Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble; Centre de Recherche Astrophysique de Lyon
Montant : 510000.0 euros
Durée : 48 mois
Résumé : Formation, Evolution, Diversité et Physique des Exoplanètes GéantesComment les planètes géantes se formes et évoluent est un défi majeur de l'astronomie moderne directement connecté à la recherche de vie à l'horizon 2030.Toutefois, dans cette perspective, de nombreux verrous astrophysiques, biologiques et technologhiques doivent être levés. Notre projet ANR s'est attelé à pleinement exploiter notre expertise dans le cadre d'une recherche et caractérisation systématique des planètes géantes  pour contraindre leurs origines et propriétés physiques.
Explorer la Diversité et l'Origine de la population d'Exoplanètes GéantesDe quelle manière les planètes géantes se forment, comment leurs propriétés physiques et  chimiques évoluent, est un défi majeur de l'astronomie moderne dont le but est directement lié à la découverte ultime de bio-signatures autour d'autres étoiles d'ici à l'horizon 2030. D'ici là, plusieurs verrous astrophysiques (vision plus globale et plus fine des populations de planètes géantes et telluriques), biologiques (définition des marqueurs de vie) et technologiques (améliorations des performances instrumentales actuelles) doivent être levés pour l'atteindre. En plus de comprendre la structure interne et la physique des atmosphères des planètes géantes, il est essentiel de comprendre commes elles se forment et évoluent dans le temps car celles-ci structurent complètement l'architecture des systèmes planétaires et donc la possibilité de former des planètes telluriques susceptibles d'accueillir des conditions favorables à la formation de la vie. Dans cette perspective, notre projet ANR-GuEPARD a été dédié à explorer la diversité des populations de planètes géantes dans leur globalité et en fonction des propriétés des étoiles hôtes. Il a permis aussi d'étudier les premières phases de formation, d'évolution et d'interaction des planètes géantes et d'explorer et de modéliser les mécanismes physiques clefs au sein des atmosphères substellaires et planétaires.
Observations multi-techniques, Modélisation des Exoplanètes GéantesSur une scène internationale très compétitive concernant la recherche et la caractérisation d'exo-planètes, notre projet ANR-GuEPARD a permis de renforcer notre position pionnière dans cette thématique. Il nous a permis d'initier plusieurs études observationnelles systématiques en utilisant les techniques d'imagerie directe et de mesures de vitesses radiales pour caractériser les populations de planètes géantes autour des étoiles proches. Nos résultats offrent une vue plus globale sur l'architecture des systèmes planétaires et sur les propriétés atmosphériques des jeunes exoplanètes imagées. Combinés aux prédictions des modèles de formation planétaire, nos résultats statistiques ont permis d'identifier la pertinence des mécanismes proposés. Enfin, nous avons pu explorer l'influence de l'activité stellaire sur la recherche de planètes telluriques de type Terre, mais aussi le rôle des nuages au sein des atmosphères exoplanétaires.
Résumé de la soumission : Depuis la découverte de la première exo-planète autour de l’étoile 51 Peg en 1995, notre compréhension de la formation planétaire a fondamentalement évolué. L’existence de Jupiters chauds a révélé les prémices d’une variété inattendue de systèmes planétaires. L’existence de systèmes planétaires multiples a été confirmée. La structure et l’atmosphère de planètes géantes a pu être étudiées. La fréquence des découvertes a confirmé que la formation planétaire n’était pas un mécanisme rare avec une dépendance en fonction de la métallicité stellaire et peut-être la masse et la multiplicité stellaire. Finalement, les derniers développements des spectrographes de précision ont permis la découverte des premières super-Terres. Toutefois, malgré ces avancés, de nombreuses questions fondamentales quant à la formation des planètes géantes restent ouvertes. La formation et l’évolution des planètes géantes est pourtant un élément clef qui va déterminer l’architecture des systèmes planétaires et possiblement de la formation de la vie. Nous ne savons toujours pas s’il existe plusieurs mécanismes de formation susceptible de former des planètes géantes. Comment ces mécanismes peuvent dépendre des propriétés de l’étoile centrale? La physique des planètes géantes conserve par ailleurs de nombreuses zone d’ombre. Lors de notre précédent programme ANR05, nous avons développé un certain nombre d’outils et une expertise dédiée à la recherche et la caractérisation des planètes géantes à l’aide des méthodes d’imagerie directe et de vélocimétrie. Alors que la vélocimétrie rencontre le plus de succès pour la détection de planètes à courtes périodes, de moins de 10 ans, l’imagerie directe est unique pour explorer les parties externes des systèmes exo-planétaires. Elle permet particulièrement de résoudre directement les photons émis par les exo-planètes. A partir de ce programme ANR05, notre expertise sur le sujet s’est confirmée avec les découvertes de la première planète en imagerie directe, de la première exo-planète autour d’une étoile massive, la caractérisation de l’activité et de son influence sur les techniques de détection de planètes et enfin la simulation de la dynamique des atmosphères froides planétaires. Sur une scène internationale très compétitive et dans la perspective des instruments de prochaines générations dédiés à la recherche d’exoplanètes (SPHERE et ESPRESSO au VLT), notre projet ANR10-GuEPARD, pour “Giant Exo-Planet Atmosphere, oRigins and Dynamics”,  a pour but de renforcer notre actuel leadership dans la recherche et la caractérisation de la physique de planètes géantes et de leur formation. Nous voulons initier à présent une phase d’étude systématique d’observations des étoiles proche à l’aide d’une démarche multi-technique. Nous souhaitons exploiter au maximum notre expertise pour fournir de riches contraintes de formation planétaire, étudier les mécanismes de formation des planètes à larges orbites, comprendre quelle est l’influence des propriétés stellaires comme la mass ou la multiplicité stellaire. Finalement, l’imagerie directe nous permettra de révéler l’existence de planètes juste formées au sein de leur disque planétaire.  A partir d’une expertise solide acquise lors de ces quatre dernières années et de la perspective d’exploitation des futurs instruments de détection de planètes, notre projet s’insère naturellement dans une dynamique d’étude systématique pour permettre le saut nécessaire menant à une compréhension plus globale de la formation et de la physique des planètes géantes.
Résultats : Le projet ANR-GuEPARD a permis d'obtenir plusieurs résultats importants avec :
•	des découvertes observationnelles clefs : la première observation directe d'une exoplanète en révolution autour de son étoile, l'observation directe d'interactions entre une planète géante et le disque au sein duquel elle s'est formée, la découverte de l'exoplanète imagée la plus légère, celle du premier compagnon de masse planétaire autour d'une étoile double, celle d'un disque de débris autour d'une étoile double abritant un compagnon de masse planétaire, enfin la caractérisation de structures se déplaçant rapidement à la surface du disque de débris de l'étoile AU Microscopii possiblement lié à des interactions d'une planète géante avec le disque, 
•	des études clefs : la création d'un librairie spectrale de référence de jeunes exoplanètes et de naines brunes, l'étude comparative de la fréquence d'exoplanètes géantes avec celles prédites par les modèles de formation planétaire, les premières études pour rechercher la présence de planètes géantes à courtes périodes autour d'étoiles jeunes et d'étoiles massives, finalement une série d'étude sur l'influence de l'activité stellaire sur les performances ultimes des mesures en vitesses radiales,
•	des développements essentiels : celui de simulations d’hydrodynamique radiative  locales 2D et 3D et de modèles de nuages incluant leurs mécanismes principaux de formation/disparition (supersaturation, nucléation, condensation, sédimentation, distribution de taille des grains qui varie avec la profondeur atmosphérique) pour simuler des atmosphères froides d'étoiles de faible masses, de naines brunes et d'exoplanètes sur une large grille de conditions phsyiques (température effective, pression, métallicité).
Perspectives : De nombreux résultats clefs ont pu etre obtenus au cours de notre ANR, publiés dans de nombreuses revues de référence et présentés dans de nombreux colloques internationaux. Ce travail, en plus de consolider notre leadership sur la scène international, nous a permis de nous placer en très bonne position pour l«exploitation des instruments phares en imagerie directe et en vitesses radiales, mais aussi pour préparer l'exploitation de futurs projest et missions spatiales sur cette thématique de recherche.
Publications et brevets : Le succès de notre projet se quantifie avec plus de 110 publications dans des revues internationales à comité de lecture (A&A, ApJ, Nature, Science, SPIE), incluant 44 publications avec au moins 2 partenaires associés. Il se concrètise par la participation à plus de 50 communications dans le cadre de conférences. Ce succès inclut par ailleurs une dizaine de communiqués de presses et plusieurs communications de vulgarisation scientifiques (Radio, Journaux, Revues Spécialisées, Fête de la science, Conférences grand publique...).