Recherche de planètes habitables avec SPIRou – SPlaSH

Il existe actuellement un intérêt considérable pour la recherche d'exoplanètes autour des étoiles de très faible masse (naines M), en particulier pour étudier les planètes orbitant en zone habitable et pour caractériser à la fois leur densité et leur atmosphère. Les naines M présentent le grand avantage que leurs planètes en zone habitable sont beaucoup plus faciles à détecter que celles autour d’autres types d'étoiles. Mais ce qui fait des naines M des cibles vraiment uniques, c'est que les planètes détectées se prêteront à la caractérisation de leur atmosphère au cours de la prochaine décennie

L'inconvénient des naines M est qu'elles sont intrinsèquement faibles dans l'optique et que les vélocimètres tels que HARPS n'atteignent une précision de 1 m/s que sur les quelques naines M les plus brillantes (Bonfils et al 2013). Pour franchir cette barrière, il est essentiel de développer un relevé avec un vélocimètre travaillant dans le proche infrarouge (nIR). Compte tenu de leurs basses températures, les naines M ont un flux de photons de 1 à 3 ordres de grandeur plus élevé dans le proche infrarouge que dans l'optique.

Parmi les vélocimètres proche infrarouge de première génération (CARMENES, IRD, HPF), SPIRou est le seul qui combine la bande K (totalisant ~40% du contenu RV dans le proche infrarouge pour une naine M), la polarimétrie (cruciale pour filtrer l'effet de l'activité sur les mesures RV) et une grande efficacité. Les performances validées de SPIRou en font l'instrument idéal pour mener à bien des programmes de monitoring de naines M nécessitant un temps d'observation important.

Les observations de notre relevé, ont débuté en Février 2019 et s’étaleront sur 4 ou 5 ans. Au mois de Octobre 2020 nous avons obtenue un taux de complétion d’environ 54 %. Les données SPIRou présentent de grandes différences par rapport aux données fournies par des instruments précédents. C’est une des forces de l’instrument, mais c’est aussi une difficulté car nous devons ré-inventer de nombreuses étapes de l’analyse des données. Un travail important a donc été réalisé dans le cadre du WP3 (optimisation du traitement de données). Nous avons amélioré le pipeline d’analyse des données pour extraire les vitesses radiales les plus précises.

Parmi les premiers résultats obtenus nous mettons en avant nos mesures de qualités inégalés sur le système de l’étoile AU Mic, un système très important pour comprendre l’évolution des planètes jeunes car le seul connu avec une planète de la masse de Neptune à un âge de quelques millions d’année seulement. Nous y démontrons nos capacité à filtrer l’effet de l’activité stellaires sur les Vitesses Radiales et obtenons ainsi la meilleur détermination de l’alignement orbitale de la planète avec le plan de rotation de l’étoile (Martioli et al. 2020) et les premières détermination de la masse, et donc de la densité, de la planète (Klein et al. 2020).

Nous démontrons les capacités de SPIRou à l’analyse des composants chimiques atmosphérique, dans le cas du Jupiter chaud Tau Bootis b (Pelletier et al. 2021, in prep).

Notre suivi de ToI-1278, un système détecté par transit avec TESS, nous permet de mettre en évidence un cas rare d’une naine brune en orbite proche autour d’une naine rouge (Artigau et al. 2021, in prep).

L’état d’avancement du projet, avec les premières publications soumises 1 an 1/2 après le début du projet, et moins d’un an après le recrutement des premiers CDD du projet est celui attendu. Les relevés du type de celui au coeur de notre projet donnant le maximum de ces résultats plusieurs années après le début de l’acquisition des première données car un suivi long des sources (sur plusieurs mois ou années) est essentiel pour cette science.

Nous attendons donc la grande majorité de nos résultats dans la seconde partie de ce projet, et notamment une vision statistique des découvertes du SPIRou.

1. Donati, Kouach, Moutou, Doyon, Delfosse, et al. 2020 « SPIRou : nIR velocimetry & spectropolarimetry at CFHT » MNRAS, 498, 5684

2. Moutou, Dala, Donati, Martioli, et al. 2020, « Early science with SPIRou: near-infrared radial velocity and spectro-polarimetry of the planet-host star HD 189733 », Astronomy & Astrophysics, 642, 72

3. Martioli, Hébrard, Moutou, Donati, Artigau, Cale et al. 2020, « Spin-Orbit alignement and magnetic activity in the young planetary systemAU Mic », Astronomy & Astrophysics, 641, 1

4. Hobson, Bouchy, Cook, Artigau, Moutou, Boisse, Lovis, Carmona, Delfosse, Donati, and the SPIRou Team, 2021 « The SPIRou wavelength calibration for precise radial velocities inthe near infrared » accepté par Astronomy & Astrophysics

5. Klein, Donati, Moutou, Delfosse, Bonfils, Martioli et al., 2021 « Investigating the young AU Mic system with SPIRou: large-scalestellar magnetic field and close-in planet mass », accepté par MNRAS

6. Pelletier, Benneke, Darveau-Bernier et al. 2021, « Where is the Water? Jupiter-like C/H ratio but strong H2O depletion found on Tau Bootis b using
SPIRou. » soumis à Astrophysical Journal

7. Artigau, Cook, Doyon et al. 2021. « ToI-1278b : a rare case of Brown Dwarf Companion in Close-In orbit around an M dwarf », soumis à Astronomical Journal

Depuis la découverte pionnière d'une planète géante en orbite de 51 Peg (Mayor & Queloz 1995), environ 3500 planètes extra-solaires ont été détectées, révélant la diversité des systèmes planétaires et révolutionnant nos idées sur la formation et l'évolution de ces objets. L'identification de planètes terrestres habitables et la recherche de biomarqueurs dans leurs atmosphères est l'un des principaux défis de l'astronomie du 21ème siècle. Cette entreprise vise à comprendre à quel point notre propre Terre est unique et à évaluer si la vie pourrait exister ailleurs dans l'univers. Relever ce défi motive des missions spatiales ambitieuses - telles que JWST, TESS, PLATO - et est l'un des principaux objectifs du développement des télescopes géants des classes 40m lors des prochaines décennies.Dans ce contexte, il existe actuellement un intérêt considérable à rechercher des exoplanètes autour d'étoiles de très faible masse (naines M), en particulier pour détecter des planètes localisées dans les zones habitables stellaires (ZH) et pour caractériser leur densité moyenne ainsi que leur atmosphère. Les naines M présente le grand avantage d’avoir des planètes en ZH beaucoup plus faciles à détecter qu’autour d’autres types d'étoiles. Mais ce qui les rend encore plus uniques, c'est que leurs planètes seront susceptibles de voir leurs atmosphères étudiées au cours de la décennie à venir grâce au JWST (Doyon et al., 2014, Beichman et al., 2014) ou grâce à un couplage d’imagerie à haut contraste et de spectroscopie à haute résolution avec l’E-ELT (Snellen et al. 2015) voir même avec le VLT pour les cas les plus favorables (Lovis et al., 2017). Des planètes similaires, autour des étoiles de type solaire, ne seront accessibles qu’avec des missions spatiales très ambitieuses telles que LUVOIR, qui ne pourront être lancées avant le milieu du siècle.Notre équipe co-dirige (avec des collaborateurs canadiens) l'exploitation de SPIRou (le nouveau spectro-polarimètre et velocimètre infrarouge pour le CFHT) en pilotant un sondage vitesse radiale (VR) dédié à la recherche et à la caractérisation d’exoplanètes de très faible masse. Notre projet est extrêmement compétitif pour la recherche de planètes en orbite autour de naines M et est idéalement phasé avec les missions spatiales TESS et JWST. Ce projet ANR permettra à notre collaboration d'atteindre 4 objectifs scientifiques principaux: (Sc1) établir un recensement aussi complet que possible des planètes en orbite autour des naines M les plus proches, afin de sélectionner les meilleures candidats pour une caractérisation d’atmosphères de planètes de type terrestre; (Sc2) de réaliser l'étude statistique de cette population de planètes du proche voisinage solaire; (Sc3) de comprendre la structure et la composition des planètes de très faible masse et (Sc4) de modéliser la structures des champs magnétiques à grande échelledes naines M, provoquant le jitter VR et étudier les interactions magnétiques étoiles-planètes ainsi que leurs influences sur l'habitabilité.Pour atteindre ces objectifs ambitieux, nos efforts seront organisés autour de 4 ensembles de tâches (WP). Le WP1 se concentrera sur la surveillance des 100 à 120 naines M les plus proches dans les buts de répondre aux (Sc 1) et (Sc 2). Le WP2 sera consacré à un suivi de 70 à 80 candidats planètes en transit pour mesurer les masses précises et se concentrer sur le cas scientifique 3. Le WP3 optimisera le traitement des données VR en profitant de l'expérience des participants à l'analyse VR de HARPS, SOPHIE et ESPaDOnS. Le WP4 visera à filtrer la jitter VR en utilisant les données spectropolarimétrie simultanées et à caractériser l’environnement spatial des exoplanètes (Sc 4).SPIRou a bénéficié d’un soutien continu de la communauté pour permettre le conception de l’instrument. Notre projet ANR vise maintenant à coordonner les activités scientifiques de la communauté « exoplanète » française afin de réaliser les retours scientifiques.