April 13, 2021

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SPIRou scrute une jeune rebelle

SPIRou, le nouveau spectropolarimètre infrarouge de haute précision récemment installé au télescope Canada-France-Hawaii, a permis de mesurer pour la première fois la masse et la densité d’une planète semblable à Neptune en orbite proche autour d’une étoile jeune et extrêmement active. Ces résultats s’inscrivent dans une étude internationale des propriétés de ce système planétaire récemment découvert, impliquant notamment le télescope Canada-France-Hawaii et des chercheurs de l’Institut de recherche sur les exoplanètes. 

 

Vue d’artiste de la très jeune naine rouge éruptive AU Mic et de sa planète nouvellement découverte, avec au loin le disque de débris qui a donné naissance à la planète. Crédits : NASA-JPLCaltech

AU Microscopii (AU Mic) est une jeune étoile située à seulement 32 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Microscope. Avec une masse de la moitié de celle du Soleil et une température d’à peine 3500°C (contre 5500°C pour le Soleil), c’est ce qu’on appelle une naine rouge. AU Mic et sa planète AU Mic b sont âgées de 22 millions d’années, soit quelques mois à peine si l’on rapporte la durée de vie d’une étoile à celle d’un être humain.

Détecter des planètes avec SPIRou au Télescope Canada-France-Hawaii

SPIRou est le nouveau spectropolarimètre infrarouge de haute précision installé depuis 2018 au Télescope Canada-France-Hawaii (TCFH) de 3,6 m situé au sommet du Mauna Kea sur la grande île d’Hawai’i. Cet instrument est le fruit d’une collaboration internationale dirigée par Jean-François Donati (Université de Toulouse, IRAP), chercheur principal du projet, et de René Doyon, co-chercheur principal et directeur de l’Institut de recherche sur les exoplanètes et de l’Observatoire du Mont-Mégantic. Fonctionnant dans l’infrarouge, SPIRou a été optimisé pour la détection d’exoplanètes et la cartographie des champs magnétiques des naines rouges et des étoiles jeunes, qui brillent dans ce domaine de longueur d’onde.

Pour trouver des exoplanètes, SPIRou utilise la technique de la vélocimétrie, qui consiste à mesurer le mouvement de l’étoile dû à l’attraction gravitationnelle de toutes ses planètes. L’amplitude de ce mouvement nous renseigne sur la masse de la planète, sur la distance respective des deux corps et sur l’inclinaison et la forme de l’orbite de la planète. SPIRou est également capable d’effectuer en même temps une analyse polarimétrique de la lumière stellaire, permettant de détecter le champ magnétique des étoiles, et ainsi de caractériser l’activité qui pollue les données vélocimétriques. En effet, si AU Mic b module la vitesse radiale de son étoile de 8.5 m/s, l’activité magnétique à la surface de AU Mic induit des variations apparentes de vitesse radiale qui peuvent atteindre 80 m/s et qui peuvent noyer le signal causé par la planète.

Le nouveau spectropolarimètre SPIRou, grâce auquel ces nouveaux résultats ont été obtenus, a été installé au Télescope Canada-France-Hawaii en 2018. Crédits : SPIRou team / S Chastanet (CNRS / OMP)

Une étoile rebelle

La forte activité magnétique AU Mic est due à son très jeune âge. Il y a à la surface de l’étoile des taches géantes abritant d’intenses champs magnétiques.  Dans un tel contexte, détecter le petit signal de la planète dans le vacarme engendré par l’activité stellaire est un défi instrumental et observationnel que SPIRou a pu relever avec brio grâce à ses capacités vélocimétriques et polarimétriques uniques.  Cette prouesse a nécessité une analyse détaillée des données SPIRou au moyen de techniques numériques sophistiquées, qui ont permis de révéler le signal planétaire par une modélisation précise des phénomènes magnétiques opérant à la surface de l’étoile jeune.

 

La masse de AU Mic b

SPIRou a mesuré pour la première fois la masse de AU Mic b et, combiné à la mesure de rayon obtenue par la TESS, l’équipe a pu obtenir la première estimation de la densité de la planète.  AU Mic b se révèle être à peine plus dense que de l’eau, soit 4 fois moins dense la Terre, et sa densité est étonnamment similaire à celle de Neptune. AU Mic b orbite cependant 450 fois plus près de son étoile que Neptune ne le fait autour du Soleil. Son atmosphère atteint 300°C et on dit qu’il s’agit d’une planète de type Neptune chaude. AU Mic b devient ainsi la première planète dont la masse et la densité moyenne sont mesurées de manière fiable avec SPIRou, et la première planète jeune pour laquelle ces quantités sont connues.

 

À propos de l’étude

Quatre articles permettent de mieux connaitre le système d’AU Mic. L’article « Investigating the young AU Mic system with SPIRou: large-scale stellar magnetic field and close-in planet mass » sera publié dans la revue MNRAS, l’article « Spin-orbit alignment and magnetic activity in the young planetary system AU Mic« , dans Astronomy & Astrophysics, l’article « SPIRou: NIR velocimetry and spectropolarimetry at the CFHT » dans MNRAS et l’article « Early science with SPIRou: near-infrared radial velocity and spectropolarimetry of the planet-hosting star HD 189733 » dans Astronomy & Astrophysics. L’équipe scientifique comprend des chercheurs de l’IRAP/CNRS (B Klein, JF Donati, C Moutou), dont la plupart a aussi pris en charge la construction, la validation et les tests de l’instrument SPIRou à l’IRAP et au CFHT, de l’IAP/CNRS (E Martioli, G Hébrard, S Dalal), de l’IPAG  (X Delfosse, X Bonfils), de l’Institut de recherche sur les exoplanètes (É. Artigau, R. Doyon, L. Malo, O. Hernandez, P. Vallée, N. Cook et S. Thibault) et de plusieurs autres pays et partenaires du projet SPIRou.  Ces études ont bénéficié de ressources supplémentaires de l’ERC (European Research Council, bourse #740651 NewWorlds) et l’ANR (Agence Nationale de la Recherche, bourse ANR- 18-CE31-0019 SPlaSH). SPIRou a été financé par divers partenaires en France, Canada, CFHT, Switzerland, Brazil, Taiwan, et Portugal.

 

Références

 

Communication:

CNRS/INSU : B Klein, JF Donati & C Moutou at IRAP, E Martioli & G Hébrard at IAP

Contact TCFH : mary@cfht.hawaii.edu

Site web SPIRou @ IRAP/OMP : http://spirou.irap.omp.eu

Premières images pour le spectrographe NIRPS

Le spectrographe de NIRPS, dont la conception est chapeautée par une équipe de l’Observatoire du Mont-Mégantic (OMM)du Centre d’optique photonique et laser (COPL) et de l’Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx), en association avec des ingénieurs de l’Institut Herzberg d’astrophysique du CNRC, obtenu en août ses toutes premières images en laboratoire, à l’Université LavalC’est une étape importante avant que cet instrument soit installé au télescope de 3,6 m de La Silla au Chili et puisse débuter son étude des exoplanètes.  

NIRPS (pour Near InfraRed Planet Searcher) est un spectrographe construit par une collaboration internationale menée par René Doyon, directeur de l’iREx et de l’OMM, et François Bouchy, de l’Observatoire astronomique de l’Université de Genève. Opérant dans le domaine de la lumière infrarouge, il est optimisé pour étudier des exoplanètes de masse similaire à la Terre autour d’étoiles froides. Il sera en opération dès 2021 au télescope de 3,6 mètres de La Silla, au Chili, opéré par l’ESO (European Southern Observatory). 

« Cela fait 5 ans qu’on travaille sur NIRPS, » explique Étienne Artigau, chercheur à l’iREx et responsable scientifique de NIRPS. « C’est très motivant pour l’équipe scientifique de réaliser qu’on n’est plus qu’à quelques mois de se lancer à la recherche d’exoplanètes avec cet instrument. » 

Premier cycle thermique 

C’est pendant le printemps et une partie de l’été que l’assemblage de l’instrument a été effectué, sous la supervision de Simon Thibault, professeur à l’Université Laval, membre du COPL et membre associé de l’IREx, dans les laboratoires de l’Université Laval. Puis, l’équipe pu amorcer le premier « cycle thermique » de l’instrument, le 31 juillet dernier. Cette étape consiste à rassembler tous les éléments optiques et à les aligner avec une grande précision dans le cryostat, une enceinte qui permet de maintenir l’appareil à une très basse température. 

L’équipe procédant à la fermeture de l’enceinte cryogénique le 31 juillet 2020, dans les laboratoires du Centre d’optique-photonique et laser, à l’Université Laval. De gauche à droite : Lison Malo (iREx, OMM, Université de Montréal), Anne-Sophie Poulin-Girard (COPL, Université Laval), Hugues Auger (COPL, Université Laval) et Philippe Vallée (OMM, Université de Montréal). Crédit : Lison Malo.

Le spectrographe comprend, entre autres, cinq prismes de séléniure de zinc (ZnSe), un matériel optique idéal pour les observations dans l’infrarouge. Il décompose la lumière en un arc-en-ciel infrarouge allant de 0.97 à 1.81µm, une lumière invisible à l’œil nu. 

« C’est tout un casse-tête de faire l’assemblage de l’instrument », raconte Philippe Vallée, spécialiste en instrumentation de l’Observatoire du Mont-Mégantic. « Il faut comprendre que c’est à la température ambiante qu’on doit placer toutes les composantesOr, les pièces en verre se contractent beaucoup moins que les pièces en aluminium quand elles se refroidissentUne erreur de calcul ou d’assemblage, et ça fait crac lors du refroidissement à température cryogénique! » 

Philippe Vallée, spécialiste en instrumentation de l’Observatoire du Mont-Mégantic, travaille sur l’instrument. À gauche, on le voit procéder au collage des supports mécaniques sur les côtés d’un prisme de ZnSe. Le spectrographe est composé de 5 prismes comme celui-là. À droite, on le voit faire des ajustements sur le détecteur H4RG. Crédit : Lison Malo.

« Après l’intégration des sous-systèmes sur le banc optique, on doit s’assurer que tout est bien en place, selon les tolérances de positionnement fournies. », explique Anne-Sophie Poulin-Girard, professionnelle de recherche au COPL. « C’est une étape critique pour s’assurer que le système aura les performances souhaitées. Heureusement, on dispose de machines à mesurer tridimensionnelle qui nous permettent de vérifier le positionnement mécanique, et d’une panoplie de tactiques optiques pour valider l’alignement des différents éléments. »  

Puisque NIRPS opère dans le domaine de la lumière infrarouge, il est crucial qu’il soit refroidi à environ -200 degrés Celsius, afin qu’il n’émette pas lui-même de lumière qui viendrait polluer les données. Le refroidissement est une procédure délicate qui nécessite près de deux semaines pour être complétée. 

C’est le 12 août que l’équipe a pu prendre les premières images avec l’instrument. Comme l’instrument n’est pas encore au télescope, c’est non pas de la lumière d’une étoile, mais plutôt celle de lampes de calibration que ces images ont captée