Recherche de protoplanètes avec l'instrument FIRST – FIRST

Les planètes géantes jeunes détectées à ce jour sont encore peu nombreuses. Elles sont pourtant essentielles pour comprendre les mécanismes de la formation planétaire. Les planètes en formation, appelées protoplanètes, connaissent une phase d’accrétion de matière et émettent en conséquence fortement dans la raie Halpha (656nm). Détecter un rayonnement à cette longueur d’onde est donc la signature de la présence d’une protoplanète, et permet de caractériser le taux d’accrétion mis en jeu en fonction de la masse de la planète. C’est grâce à cette particularité que les protoplanètes découvertes autour de PDS70 ont pu être identifiées comme telles, et l’hypothèse d’un nuage de poussières formellement écartée. Cet effet est d’autant plus intéressant que le contraste entre l’étoile et son compagnon planétaire est par conséquent réduit, ce qui les rend plus accessibles à l’observation directe.
Avec ce projet, je propose d’utiliser l’interférométrie optique pour détecter de nouvelles protoplanètes, inaccessibles avec les imageurs actuels, et caractériser leur taux d’accrétion. L’instrument FIRST (Fibered Imager foR a Single Telescope) repose sur la technique du réarrangement de pupille et offre un potentiel unique pour la détection et la caractérisation spectrale de compagnons situés à de très faibles séparations angulaires. Installé sur la plateforme d’optique adaptative extrême du télescope Subaru SCExAO, la résolution angulaire de FIRST atteint 10mas dans le visible, soit 1,5 unités astronomiques (UA) à 150 pc. Alors que ce pouvoir de résolution a déjà été démontré, je souhaite, avec ce projet, repousser les limites de détection de l’instrument FIRST en termes de sensibilité et de dynamique, afin d’être en mesure de détecter de nouvelles protoplanètes. Je prévois pour cela de faire évoluer l’instrument en travaillant sur l’optimisation du composant d’optique intégrée et en intégrant un nouveau spectrographe haute résolution dédié à la raie Halpha. Je propose par ailleurs d’utiliser une technique de mesure de phase auto-étalonnée qui consiste à soustraire la phase mesurée dans le continuum à la phase mesurée dans la raie Halpha (phase différentielle), afin d’accroître la précision de mesure de la phase, et ainsi les performances en contraste.
Avec ces améliorations, l’objectif est d’atteindre une limite de sensibilité Rmag=12 et un contraste de 10^-3 à 5 sigma (soit 2.10^-4 à 1 sigma). Ces limites nous permettront de mener un programme d’observations de plusieurs dizaines de systèmes jeunes du nuage moléculaire du Taureau, situé à distance relativement faible du Système solaire (140pc) et abritant de nombreuses étoiles jeunes. La version augmentée de l’instrument FIRST sur SCExAO pourra permettre de sonder une zone encore inexplorée de l’espace des paramètres, entre 1 et 10 UA. Cette région est d’un intérêt critique, car d’après les plus récentes estimations de la distribution des planètes géantes en fonction de leur distance orbitale, la probabilité de leur présence est maximale aux alentours de la ligne des glaces, soit vers 1-2 UA. Avec les limites de détection visées, notre programme d’observations pourrait conduire à la détection de 2-3 nouvelles protoplanètes sur un échantillon de 50 étoiles observées, ce qui doublerait le nombre de protoplanètes connues à ce jour. Leur découverte et la caractérisation de leur taux d’accrétion sera un apport majeur pour contraindre les modèles de formation planétaires.