Statistiques des planètes proches de leur lieu de formation et leur distribution dans le disque et la barre de notre Galaxie – COLD-WORLDS

Pour atteindre ces objectifs, un certain nombre d’étapes sont nécessaires. Tout d’abord, nous devons produire une archive photométrique dans le proche infrarouge (JHK) à partir des relevés dédiés du bulbe galactique effectués par le télescope VISTA ESO. Puis, nous allons réaliser des observation avec le télescope de 10 m KECK et le télescope spatial Hubble des planètes découvertes par microlentille à ce jour et faisant partie de notre échantillon statistique. Puis, nous allons devoir puis les ré-analyser une par une, l’ensemble des planètes détectées par microlensing qui font partie de notre échantillon statistique.

Nous avons mis en place un serveur contenant l’intégralité des images infrarouge obtenues sur le centre de notre Galaxie par le télescope VISTA de l’ESO. Les 10 Tb d’images sont accessibles et extractibles en « cube de données calibrées ». Ces données sont utilisées comme base pour le grand relevé qui débute avec le télescope PRIME en Afrique du Sud, ont été utilisées pour estimer les profondeurs optiques gravitationnelles vers le centre de la galaxie pour choisir les lignes de visées du satellite Roman de la NASA.
Nous avons développé des codes open source de photométrie avec données spatiales sous-échantillonnées, et de modélisation de microlentilles. Ils seront très utiles pour les projets à venir, Euclid et Roman.
Nous avons mesuré avec une précision de ~10 % les masses de plus de 30 planètes en combinant les observations KECK, HST. Ceci a représenté un des gros travaux du projet.

Blackman et al. 2021 Nature, présente la première détection d’une planète en orbite autour d’une étoile morte, une naine blanche. Publiée dans Nature avec excellente couverture médiatique.
Cassan et al. 2022 Nature Astronomy, présente la première mesure par interférométrie de la rotation d’arc de lentilles gravitationnelles, et ouvre une nouvelle méthode pour mesurer les masses des étoiles et planètes.
Bachelet et al. 2022 montre qu’il est possible de mesurer les masses des planètes détectées par le satellite Roman avec un survey de 7h réalisé avec le satellite de l’ESA Euclid. Ce survey est actuellement à l’étude par l’ESA et le Science Team d’Euclid.
Beaulieu et Ranc sont les deux Français invités à rejoindre le proposal NASA PIT d’exploitation du grand relevé microlentille qui sera réalisé par le satellite Roman (Janvier 2023).
Sahu et al. 2022, Lam et al. 2022, Bachelet & Beaulieu 2023 (in prep) présentent la découverte d’un trou noir de 7 masses solaires, isolé, dans le disque de notre Galaxie. C’est le premier trou noir détecté par microlensing, après 30 ans de recherches.
Nous avons mesuré avec une précision de 10 à 20 % les masses de 30 planètes froides. Ces travaux sont aussi la base de la méthode qui sera appliquée de manière routinière à l’analyse des données des satellites Euclid et Roman.

Nous allons publier la fonction de masse des planètes froides, ainsi qu'une première indication sur leur distribution spatiale vers le centre de notre Galaxie avant l'automne 2023. Les travaux réalisés dans COLD-WORLDS montrent aussi la puissance de l'utilisation de la haute resolution angulaire pour contraindre les masses des planetes detectees par microlentilles. Ce que nous avons fait avec KECK et HST sera fait de maniere routinière pour les planetes decouvertes par le satellite NASA Roman combiné avec un survey precurseurs des champs par Euclid.

Selection d’articles
1. Blackman J., Beaulieu J.P., et al., 2021, “A Jovian Analog Orbiting a White Dwarf Star”, Nature 14 octobre 2021.
2. Cassan, A., et al. 2022, «Microlensing mass measurement from images of rotating gravitational arcs«, Nature Astronomy, 6, 121.
3. Bachelet E., et al. 2022, «Euclid-Roman joint microlensing survey: early mass measurement, free floating planets and exomoons«, Astronomy and Astrophysics 664, 136.
4. Sahu K., et al., 2022, “An Isolated Stellar-mass Black Hole Detected through Astrometric Microlensing”, The Astrophysical Journal 933, 83
5. Beaulieu, J.-P., Batista, V., Bennett, D. P., et al. 2018, «Combining Spitzer Parallax and Keck II Adaptive Optics Imaging to Measure the Mass of a Solar-like Star Orbited by a Cold Gaseous Planet Discovered by Microlensing«, The Astronomical Journal, 155, 78.
6. Beaulieu J.P., 2018, “Accurate Mass Measurements for Planetary Microlensing Events Using High Angular Resolution Observations”, Universe, vol. 4, issue 4, p. 61
7. Bennett, D. P., Bhattacharya, A., Beaulieu, J.-P., et al. 2020, «Keck Observations Confirm a Super-Jupiter Planet Orbiting M Dwarf OGLE-2005-BLG-071L«, The Astronomical Journal, 159, 68.
8. Bennett, D. P., et al. 2021, «No Sub-Saturn-mass Planet Desert in the CORALIE/HARPS Radial-velocity Sample«, The Astronomical Journal, 162, 243.
9. Fukui, A., et al., 2019, “Kojima-1Lb Is a Mildly Cold Neptune around the Brightest Microlensing Host Star”, The Astronomical Journal, Volume 158, 206.
10. Lam, C. Y., et al. 2022, «An Isolated Mass-gap Black Hole or Neutron Star Detected with Astrometric Microlensing«, The Astrophysical Journal, 933, L23.
11. Lam, C. Y., et al. 2022, «Supplement: «An Isolated Mass-gap Black Hole or Neutron Star Detected with Astrometric Microlensing« (2022, ApJL, 933, L23)«, The Astrophysical Journal Supplement Series, 260, 55.
12. Miyazaki, S., et al. 2022, «OGLE-2014-BLG-0319: A Sub-Jupiter-mass Planetary Event Encountered Degeneracy with Different Mass Ratios and Lens-source Relative Proper Motions«, The Astronomical Journal, 163, 123.
13. Poleski, R., et al., 2020, “A Wide-orbit Exoplanet OGLE-2012-BLG-0838Lb”, The Astronomical Journal, 159, 261
14. Nagakane, M., et al., 2019, “OGLE-2015-BLG-1649Lb: A Gas Giant Planet around a Low-mass Dwarf”, The Astronomical Journal, 158, 212.
15. Olmschenk, Greg, et al., 2022, «MOA-2020-BLG-208: Cool Sub-Saturn Planet Within Predicted Desert«, submitted to The Astronomical Journal.
16. Ranc, C., et al. 2021, «New giant planet beyond the snow line for an extended MOA exoplanet microlens sample«, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 506, 1498.
17. Specht, D., et al., 2022, «Kepler K2 Campaign 9: II. First space-based discovery of an exoplanet using microlensing«, Submitted to Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
18. Terry S., et al., 2021, “MOA-2009-BLG-319Lb: A Sub-Saturn Planet inside the Predicted Mass Desert”, The Astronomical Journal, 161, 54.

COLD-WORLDS utilise la technique des microlentilles gravitationnelles pour l’étude des planètes froides de masse supérieure ou égale à celle de la Terre, orbitant autour de tout type d’étoile, et à toute distance dans la direction du Centre galactique. Ceci concerne également les planètes non liées et les lunes orbitant autour d’exoplanètes (exolunes). Ces objets dans des environnements très différents constituent un banc de test crucial pour les théories de formation planétaire. Le maximum de sensibilité de la méthode est dans la région de la ligne des glaces, et coïncide avec la région de formation de cette population planétaire. A ce jour, les 71 planètes identifiées par microlentille dans 68 systèmes interrogent ces théories. Les prédictions de formation par accrétion de cœur par les groupes de Ida & Bern sont quasi analogues avec leur nombre sous-estimé d’un facteur ~25 des planètes froides observées de rapport de masse q = 2E-4. Ceci pourrait être dû à la phase d’échappement du gaz, un ingrédient de base de la théorie par accrétion de cœur. Parallèlement, cette phase pourrait inclure une certaine dépendance de la masse de l'étoile hôte et donc lisser ce paramètre. Il est par conséquent très important de déterminer avec précision les masses individuelles des planètes et des étoiles hôtes.
Les microlentilles fournissent une mesure précise des rapports de masse et des séparations projetées en unités du rayon d’Einstein. L’obtention des paramètres physiques (masse, distance, séparation orbitale) passe par la modélisation de la courbe de lumière en fonction des relations distance-masse de la lentille et/ou une analyse bayesienne basée sur un modèle galactique. Ces paramètres physiques sont souvent mesurés avec une précision de 30 à 50%, voire moins. Cependant, nous avons montré qu’une contrainte forte sur la relation distance-masse de la lentille peut se déduire d’observations à haute résolution angulaire (télescopes de la classe des 8 m ou HST) pour calibrer sa luminosité ou sa limite supérieure. Ainsi, des observations de systèmes connus au moyen de télescope Keck nous ont permis de déterminer ces paramètres physiques à 10% d’incertitude. De ce point de vue, le bilan sera donc dominé par la correction d’extinction, la distance à la source, la calibration de la fonction de luminosité et notre compréhension de la structure galactique.
COLD-WORLDS utilisera les imageurs grand champ infrarouge (surveys publics VISTA, UKIRT et observations dédiées) et les instruments d’optique adaptative (Keck, VLT, SUBARU, HST). Nous avons déjà collecté des données sur 30 systèmes, et obtenu 10 nuits garanties Keck en 2018-2019 comme «Key Strategic Mission Support» à WFIRST. D’ici 2019, nous aurons observé les étoiles hôtes de plus de 100 systèmes. Les données Gaia DR2 permettront de mesurer les distances des sources et de réviser la structure du Bulbe, de la Barre et du Disque. Avec les observations multi-bandes, le modèle d’extinction sera revu.
En explorant la démographie des planètes froides du Bulbe et du Disque, nous avons les objectifs suivants:
1/ Quelle est la distribution de masse des planètes froides jusqu’à une masse terrestre à la ligne des glaces, où se forme la majorité des planètes ?
2/ Quelle est la distribution spatiale et l’abondance des planètes froides dans la direction du Centre galactique ?
3/ Comment obtenir ordinairement une précision inférieure à 10% dans la mesure des masses avec la prochaine génération de satellites (Euclid & WFIRST) ?
4/ Produire une archive photométrique du Bulbe en proche infrarouge (JHK) à partir des surveys ESO dédiés, pour de larges applications en physique stellaire et galactique.
Notre groupe comporte tout le spectre des compétences requises. Il utilise un vaste ensemble de données publiques et s’est vu allouer le temps de télescope nécessaire. C’est un projet à haute valeur ajoutée en termes de préparation des missions Euclid & WFIRST et qui donnera des produits legacy importants.