Blanc SIMI 5 - Sciences de l'information, de la matière et de l'ingénierie : Sciences de l’univers

De l'origine des poussières exozodiacales – EXOZODI

De la poussière au voisinage de la zone habitable des étoiles proches

Les progrès considérables réalisés pour la détection des exoplanètes nous rapprochent du moment où nous pourrons déterminer si la Terre est unique et si la vie existe ailleurs. À la fin des années 1990, les agences spatiales (ESA, NASA) ont commencé à s’interroger sur la présence de poussières proches de la zone habitable autour des étoiles. Ces poussières dites exozodiacales sont petites mais nombreuses et donc potentiellement fort lumineuses. Elles pourraient masquer les Terres à détecter.

L’objectif de ce projet consiste à détecter, modéliser et comprendre l’origine des poussières exozodiacales au voisinage de la zone habitable des étoiles proches

Le projet ANR EXOZODI a permis d’aborder la question des poussières exozodiacales autour des étoiles proches. Nous avons amélioré deux instruments interférométriques proche-infrarouge avec lesquels nous avons réalisé les premières recherches systématiques de poussières exozodiacales. Ces relevés mesurent leur fréquence de détection et l’intensité de leur émission. Nos modèles permettent ensuite d’estimer les propriétés élémentaires de ces populations de poussières, et ces résultats ont motivé le développement d’un nouveau code auto-cohérent couplant dynamique et collisions. Nous avons alors exploré des scénarios cherchant à expliquer l’origine mystérieuse de ces poussières, et le lien possible avec une activité cométaire. Tous ces efforts ont permis d’accomplir un bond significatif dans ce sujet de recherche en pleine émergence.

Les poussières exozodiacales émettent un faible rayonnement dans le proche et le moyen-infrarouge provenant d’une région proche de l’étoile. La seule technique permettant de distinguer une telle émission à proximité d’une étoile brillante est l’interférométrie proche/moyen-infrarouge. Nous avons réalisé nos relevés observationnels avec deux interféromètres, en Californie et au Chili. Nous avons identifié des défauts instrumentaux, jusqu’alors inconnus, et avons fait progresser les logiciels de réduction de données afin d’atteindre la grande précision nécessaire au projet. Nous avons modélisé les mesures avec notre code de transfert radiatif que nous avons amélioré pour mieux décrire la sublimation des poussières à proximité de l’étoile. Nous avons fait l’hypothèse que les poussières observées sont produites par une pluie régulière de comètes. Nos simulations N-corps pour produire cette activité cométaire se sont appuyées sur des perturbations par des exoplanètes, et prennent en compte l’importance de la migration de ces planètes pour prolonger les pluies cométaires. Enfin, nous avons surmonté le défi le plus important du projet, en développant en deux ans un code unique capable de traiter simultanément l’évolution collisionnelle et dynamique d’un disque de comètes et de poussières.

Nous avons réalisé les deux premiers relevés observationnels de poussières chaudes, dites exozodiacales, autour d'un nombre significatif d'étoiles proches (130). Ces observations démontrent l’universalité du phénomène, dont l’étude était jusqu’alors restreinte au système solaire et à quelques rares étoiles. Nos modèles indiquent que les poussières sont riches en carbone, et ont tendance à s’accumuler à côté de la région de sublimation. Ces travaux réservent un rôle crucial aux exo-comètes dans l’approvisionnement continu des poussières chaudes et augurent de la présence de planètes. Le volet modélisation du projet a permis le développement de deux codes de nouvelle génération pour l’étude des disques de comètes et de poussières autour des étoiles. Le plus sophistiqué d’entre eux (LIDT-DD) est unique en son genre, pouvant étudier l’évolution collisionnelle et dynamique de ces disques de manière pleinement auto-consistante.

Grâce au projet ANR EXOZODI, notre positionnement sur le thème émergent des poussières exozodiacales est excellent et procure à notre équipe une forte visibilité. Nos travaux futurs, tant observationnels que théoriques, s’appuieront sur une expérience et des outils numériques, ainsi que sur un réseau de collaborateurs consolidé et enrichi à l’issue du projet ANR. Nous avons montré que les poussières exozodiacales sont fréquentes, mais nous montrons aussi que le cadre théorique pour comprendre leur origine demeure à consolider, ce qui constitue une source d’inspiration essentielle pour de nouvelles recherches.

Ce projet ANR a donné lieu à la publication de 48 articles dans des revues à comité de lecture, soit plus de 10 articles par année de projet. Soulignons qu’une majorité de ces articles ont un membre du projet ANR comme premier auteur. Soulignons également

Notre demande ANR EXOZODI vise à effectuer une avancée qualitative
dans l'étude des poussières exozodiacales (exozodis), à la fois
observationnellement et théoriquement. Ce champ de recherche est
nouveau et peu défriché. La première détection interférométrique
claire d'un anneau de poussières exozodiacales a été obtenue en 2006
par notre équipe autour de l'étoile Vega (Absil et al. 2006), et la
première détection d'un cas extrêmement brillant obtenue avec Spitzer
en 2005 par Beichman et al. Les modèles numériques visant à expliquer
ces observations n'ont pas eu le temps d'atteindre la maturité, et la
question de l'origine des poussières exozodiacales reste
entière. Cependant, la richesse du sujet, son lien avec l'évolution
dynamique des systèmes planétaires, en particulier dans leurs régions
les plus internes potentiellement habitables, font de l'étude des
exozodis un sujet émergent dans la communauté.

La détection des exozodis requiert une instrumentation spécifique,
combinant très haute résolution spatiale et haut
contraste. L'interférométrie proche-infrarouge réunit ces deux
conditions. Au cours du projet EXOZODI, nous effectuerons le tout
premier relevé interférométrique d'un très grand échantillon d'étoiles
en utilisant les deux seuls instruments disponibles pour atteindre cet
objectif pendant la durée du projet: FLUOR (CHARA) et PIONIER
(VLTI). Ces deux instruments sont construits par les partenaires de ce
projet (LESIA et LAOG) et sont les seuls capables de fournir une
précision suffisante pour faire aboutir un tel programme
observationnel. De plus, leur complémentarité géographique permet
idéalement de couvrir les deux hémisphères.

Notre projet EXOZODI a par ailleurs des objectifs ambitieux en matière
de simulations numériques. Notre but est de comprendre les mécanismes
de production de poussières exozodiacales. Une première étape
consistera à utiliser les codes collisionnels développés au sein de
notre équipe pour quantifier dans quelle mesure de tels niveaux de
poussières peuvent s’expliquer par l’évolution collisionnelle
«naturelle» de ceintures d’astéroïdes. En parallèle, nous explorerons
des scénarios alternatifs de production de poussières, dans lequel des
perturbations dynamiques ou d’autres évènements violents et/ou
transitoires sont à la source d’une intense activité
collisionnelle. Pour ce deuxième volet, nous utiliserons des versions
améliorées de codes N-corps pour l’essentiel développés au LAOG.

Enfin, et surtout, nous souhaitons développer la prochaine génération
d'outils numériques pour l'étude des exozodis et des disques de débris
en général. Nous ambitionnons de mettre au point un nouveau modèle
capable de suivre à la fois l'évolution dynamique de systèmes
gravitationnels complexes et l'évolution collisionnelle de leur
population de petits corps. Cette tâche est à la fois l’aspect le plus
novateur et le plus risqué du projet. Cependant, nous sommes
convaincus que tous les éléments sont désormais rassemblés pour
franchir ce pas décisif à l'occasion de ce projet.

L'équipe proposante réunit deux laboratoires (LAOG et LESIA). Elle
rassemble toute l'expertise nécessaire à la réalisation du projet,
depuis la conception des instruments interférométriques
proche-infrarouge, jusqu'au développement des codes numériques de
pointe. Aucune autre équipe au monde ne rassemble cet ensemble de
compétences nécessaires pour l'étude des exozodis. L'équipe s'enrichit
par ailleurs de quelques collaborateurs extérieurs situés à Liège,
l'ESO (Chili), Stockholm et Amsterdam.

Nous sommes ainsi convaincus qu'à l'issu du projet, nous aurons
effectué un bond significatif dans l'étude des exozodis et la
compréhension de leurs origines, plaçant notre équipe dans une
position dominante dans ce domaine de recherche émergent.

Coordinateur du projet

Monsieur Jean-Charles AUGEREAU (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES) – augereau@obs.ujf-grenoble.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LESIA CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR OUEST ET NORD
LAOG CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES

Aide de l'ANR 430 000 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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