Interactions « plasmas » entre exoplanètes et étoiles parentes,et émissions radio associées

Plasma interactions of exoplanets with their parent star and associated radio emissions

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Philippe Zarka

LESIA, CNRS–Observatoire de Paris, Meudon, France

Planetary and Space Science, sous presse, 2006. [preprint]

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Résumé

Le contraste relativement élevé entre les émissions radio planétaires et solaires suggère que le domaine radio basses fréquences pourrait être bien adapté à la détection directe d'exoplanètes. Nous passons en revue les principales propriétés des émissions radio planétaires (aurorales ou induites par une interaction satellite-magnétosphère), et montrons que leur « moteur premier » est l'interaction d'un écoulement de plasma avec un obstacle, en présence d'un fort champ magnétique (celui du flot ou celui de l'obstacle).Des lois d'échelle ont été établies à partir des émissions radio des planètes du système solaire, reliant la puissance radio émise à la puissance dissipée au cours de l'interaction flot-obstacle (cf. Table). Nous généralisons ces lois d'échelle à une relation «  radio–magnétique » qui semble mettre en correspondance la puissance radio émise au flux d'énergie magnétique convecté sur l'obstacle, cet obstacle étant magnétisé ou non (Figure 1). L'extrapolation de cette loi d'échelle aux exoplanètes suggère alors que les « Jupiters chauds » pourraient produire des émissions radio extrêmement intenses, soit du fait de l'interaction de leur magnétosphère avec un vent stellaire intense (si la planète possède un champ magnétique intrinsèque notable), soit du fait d'un phénomène « d'induction unipolaire » produit par la planète (magnétisée ou non) se déplaçant à travers le champ magnétique d'une étoie fortement magnétisée – ou de régions fortement magnétisées de la surface stellaire. Dans le premier cas, similaire à l'interaction de la magnétosphère de la Terre ou de Jupiter avec le vent solaire, ou à l'interaction de Ganymède avec Jupiter, une émission radio de longueur d'onde hecto/décamétrique devrait être produite dans le voisinage de la planète avec une intensité 100 à 1000 fois supérieure à celle de Jupiter. Dans le second cas, qui est l'analogue géant du système Io-Jupiter, l'exoplanète jouant le rôle de Io et son étoile parente celui de Jupiter, une émission métrique/décamétrique devrait être produite aux pieds des lignes de champ magnétique stellaire connectées à la planète à un instant donné, avec une intensité jusqu'à 1 000 000 fois plus forte que les émissions décamétriques de Jupiter (à moins qu'un mécanisme de « saturation » non encore identifié ne limite l'intensité émise). Le cas du système de HD 179949, où un point chaud semble avoir été détecté - dans le visible - dans la chromosphère de l'étoile près du point sub-planétaire du Jupiter chaud orbitant cette étoile, est examiné en détails, car il pose d'importants problèmes de bilan d'énergie. La possibilité de détecter les émissions radio prédites avec les plus grands radiotélescopes basses fréquences existants ou en projet est évaluée (Figure 2). Nous discutons enfin de l'intérêt d'une éventuelle détection radio, qui permettra notamment la mesure du champ magnétique exoplanétaire et ouvrira la perspective d'une physique exo-magnétosphérique comparative.

 

Table  : Les divers types d'interaction flot de plasma-obstacle. Des exemples sont donnés en italique.
Une émission radio intense devrait être produite par mécanisme « maser-cyclotron » dans 3 cas sur les 4 possibles.

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		Figure 1 Loi de « Bode Radio-Magnétique » généralisée, mettant en évidence la proportionnalité (pente~1) entre la puissance d'une émission radio planétaire et la puissance incidente du vent solaire (cinétique : échelle horizontale supérieure, ou magnétique : échelle horizontale inférieure) sur la magnétopause.Les points noirs labellés E, J, S, U, N représentent les puissances radio observées des 5 planètes « radio-émissives ». L'efficacité cinétique ---> radio est de ~10–5 , celle magnétique ---> radio est d'environ 2x10–3 .Les points blancs montrent la corrélation entre les émissions radio induites par l'interaction de Io, Ganymède ou Callisto (limite supérieure) avec le champ magnétique de Jupiter. Le trait noir épais résulte de l'extrapolation aux Jupiters chauds de l'interaction vent-solaire/magnétosphère (trait continu), et de l'interaction dipolaire (reconnection) ou unipolaire planète / étoile (pointillés).
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		Figure 2 Spectre des radiosources astronomiques détectés à partir du voisinage de la Terre (1 Jansky = 1 Jy = 10-26 Wm–2 Hz–1 ). Les spectres galactique, extragalactiques et solaires sont adaptés de [ Kraus, 1986 ].Les spectres planétaires, correspondant aux émissions radio aurorales, sont adaptés de [ Zarka, 1992 ]. Le spectre de Jupiter, qui inclut les émissions décamétriques aurorales et induites par Io, provient de Zarka et al. [ 2004 ] : la densité de flux Jovien radio moyenne est d'environ 106 Jy, tandis que des sursauts brefs peuvent atteindre 107 Jy ou plus. Si toutes les émissions radio planétaires étaient normalisées à une distance commune d'observation (e.g. 1 unité astronomique), le spectre de Jupiter serait multiplié par ~20, ceux de Saturne, Uranus et Neptune par resp. ~100, 400, et 900, de sorte qu'ils se retrouveraient groupés sur moins de 2–3 ordres de magnitude. Le spectre maximum de Jupiter est reproduit avec 2 mises à l'échelle différentes possibles (x103 et x105). Les rectangles grisés sont des prédictions issues de [ Farrell et al., 1999 ]. Les sensibilités nominales des radiotélescopes UTR–2 (Ukraine), VLA (Nouveau-Mexique), GMRT (Inde), et du futur réseau LOFAR sont indiquées. La coupure ionosphérique terrestre est au voisinage de 10 MHz.
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Contact Philippe Zarka (Observatoire de Paris, LESIA)

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