Observatoire de Paris Institut national de recherche scientifique français Univerité Pierre et Marie Curie Université Paris Diderot - Paris 7

Pôle planétologie

mercredi 25 janvier 2023

Le pôle planétologie du LESIA s’intéresse à l’origine des systèmes planétaires, principalement du Système solaire, et à la compréhension du fonctionnement et de l’évolution des objets du Système solaire en étudiant les processus physiques et chimiques qui y sont à l’œuvre.

 Objectifs et thématiques

Vue d'artiste de la formation des petits corps autour d'un disque (...)
Vue d’artiste de la formation des petits corps autour d’un disque protoplanétaire (Beta Pictoris)

Crédits : NASA/FUSE/Lynette Cook

Le pôle est structuré en deux équipes thématiques

Plusieurs membres du pôle sont impliqués également dans l’équipe transverse

Les petits corps du Système solaire ont conservé des traces chimiques et minéralogiques de la composition de la nébuleuse proto-planétaire. Ils ont également un intérêt exobiologique car leurs impacts ont pu enrichir la Terre primitive de composés prébiotiques favorisant l’émergence de la vie. Leur étude permet ainsi de contraindre les processus qui ont gouverné la formation et l’évolution du Système solaire. Enfin, la mesure de la composition élémentaire des planètes géantes de notre Système solaire ou des exoplanètes permet de comprendre comment ces objets se sont formés.

L’étude des objets du Système solaire et de son évolution se fait conjointement par la simulation, l’observation, depuis le sol et l’espace, et la modélisation. La simulation numérique permet d’explorer les modèles de formation planétaire autour du Soleil ou des étoiles à partir d’une nébuleuse de gaz et de poussières qui les entoure.

Image en couleur de la comète 67P/CG observée le 30 Août 2015 après son (...)
Image en couleur de la comète 67P/CG observée le 30 Août 2015 après son passage au périhélie

Crédit : ESA / Rosetta / MPS for OSIRIS Team (MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA) / S. Fornasier

L' astéroïde Bennu observé par la mission OSIRIS-REX (NASA)
L’ astéroïde Bennu observé par la mission OSIRIS-REX (NASA)

NASA/Goddard/University of Arizona

L’observation permet de contraindre l’évolution chimique et géologique (différentiation, altération aqueuse) des petits corps du Système solaire, tandis que la modélisation (dynamique, thermique) cherche à reproduire cette évolution. L’étude de la composition chimique des atmosphères et des surfaces planétaires, de leurs variations spatiales et temporelles, permet de contraindre la climatologie, la chimie et la géologie des planètes et de leurs satellites, actuellement et dans le passé.

 Projets instrumentaux (sol et spatiaux)

Le LESIA est fortement impliqué dans des missions d’étude des surfaces et atmosphères planétaires et des petits corps, in situ et orbitales, en opération et en préparation. Les études se basent tout d’abord sur une longue tradition du laboratoire en matière de spectroscopie et spectro-imagerie visible et infra-rouge. L’équipe planétologie a ainsi contribué à la fabrication d’instruments à bord de missions spatiales telles que Mars-Express, Venus-Express, Cassini-Huygens ou Rosetta. Récemment, le LESIA a réalisé le spectromètre infrarouge de SuperCam, instrument en opération à bord du rover Perseverance de la NASA depuis le 18 février 2021.

Selfie du rover Perseverance sur le sol martien avec l'hélicoptère (...)
Selfie du rover Perseverance sur le sol martien avec l’hélicoptère Ingenuity

NASA/JPL-Caltech/MSSS

Le LESIA est aussi responsable (Principal Investigator) du spectro-imageur MIRS de la mission japonaise de retour d’échantillons MMX qui sera en orbite autour de Phobos et de Mars à partir de 2025, et partenaire du spectro-imageur infrarouge de la mission BepiColombo qui étudiera la surface de Mercure à partir de 2026.

À plus long terme, le laboratoire est partenaire du spectro-imageur MAJIS et de l’instrument micro-onde SWI de la mission européenne JUICE à destination de Ganymède prévue pour 2030 ; du spectrographe AIRS de la mission ESA Ariel qui va étudier les atmosphères d’exoplanètes prévue pour 2029 ; des spectromètres UV VenSpec-U et infrarouge VenSpec-M de la mission européenne EnVision dont le lancement vers Vénus est prévu fin 2031. Le LESIA est également partenaire du spectromètre de masse couplé à un chromatographe en phase gazeuse du drone Dragonfly de la NASA qui volera sur Titan en 2034.

Selfie de la mission BepiColombo avec sa cible Mercure, survolée lors du (...)
Selfie de la mission BepiColombo avec sa cible Mercure, survolée lors du fly-by du 1 octobre 2021

ESA/BepiColombo/MTM, CC BY-SA 3.0 IGO

 Acquisition des données

L’acquisition des données se fait via des observations avec les télescopes sol et espace, et via les missions d’exploration du Système solaire.

Les produits de ces observations, de même que les résultats de modélisations, sont mis en valeur et rendus accessibles à travers les services labellisés ANO5 pilotés dans le pôle planétologie du LESIA : l’Encyclopédie des planètes extrasolaires, APIS (aurores planétaires) et VESPA (multi thématique). Ces services utilisent l’infrastructure de l’Observatoire Virtuel pour faciliter l’accès aux données dérivées, identifier des configurations d’observation particulières, croiser des jeux de données différents, et permettre des traitements de masse sophistiqués. Les mêmes techniques sont d’ailleurs appelées à faciliter la gestion des données des expériences en opération.

 Modélisation et théorie

L’interprétation des données passe par la modélisation et la théorie. Pour déterminer la composition chimique, la structure nuageuse et la structure thermique des atmosphères planétaires, nous utilisons des codes de transfert radiatif que nous comparons aux spectres observés à partir de sondes spatiales et de télescopes au sol ou dans l’espace. Des algorithmes d’inversion nous permettent de remonter aux profils verticaux de température et d’abondance des gaz et des aérosols en combinant, si possible, des spectres enregistrés sous différentes géométries d’observation.

Pour comprendre la composition des surfaces des petits corps et des planètes, nous appliquons des modèles de transfert radiatif basés sur la réflectance des minéraux-météorites et/ou sur les constantes optiques de glaces et mélanges, nécessaires pour contraindre la minéralogie et la composition de surface.

Les modèles de transfert radiatif de type Hapke sont aussi appliqués pour modéliser les propriétés de réflectance des corps sans atmosphère, et en déduire les propriétés physiques des surfaces (taille de grain, rugosité, composition, etc) Des codes numériques ont été développés au LESIA pour interpréter les observations cométaires depuis l’infra-rouge jusqu’aux longueurs d’ondes radio, in situ (Rosetta VIRTIS/MIRO) comme distantes (Odin, Herschel, JWST et sol). Ces codes de simulations du rayonnement des atmosphères cométaires couvrent :

  • Continuum infrarouge à millimétrique des émissions thermiques des poussières ;
  • Excitation et transfert du rayonnement pour les raies rovibrationelles infrarouges de H2O, CO2, CO... ;
  • Excitation des niveaux de rotation des molécules dans l’atmosphère des comètes (plus de 30 molécules prises en compte) et transfert du rayonnement pour leur raies millimétriques à submillimétriques ;
  • Calcul des intensités des raies de OH à 18-cm de longueur d’onde (Nançay/GBT).

Modèles d’atmosphères (exo)planétaires

Image composite Webb NIRCam à partir de deux filtres – F212N (orange) et (...)
Image composite Webb NIRCam à partir de deux filtres – F212N (orange) et F335M (cyan) – du système Jupiter

Source : NASA, ESA, CSA, Jupiter ERS Team ; traitement des images par Ricardo Hueso (UPV/EHU) et Judy Schmidt

Le pôle planétologie du LESIA est impliqué dans le développement de modèles 1D et 3D d’atmosphères (exo)planétaires. L’objectif est d’inclure dans ces modèles les processus physiques/chimiques clés qui contrôlent les atmosphères afin d’interpréter les observations. Nous avons développé le modèle 1D Exo-REM , initialement pour interpréter les observations SPHERE d’exoplanètes géantes jeunes. Ce modèle a été étendu aux exoplanètes observées par transit. Nous participons également au développement du modèle 3D Generic Planetary Climate Model , que nous appliquons à l’étude des atmosphères et des climats de Mars, Titan, Pluton, Triton ; des planètes géantes du Système solaire, de la Terre primitive et des exoplanètes telluriques et gazeuses. Enfin, nous développons et utilisons des codes d’inversion des observations atmosphériques afin de mesurer les profils de température, vent et composition chimique dans les atmosphères (exo)planétaires.

Modèles des disques circumstellaires

Dans de nombreux systèmes planétaires, des disques circumstellaires de matériaux qui n’ont pas été utilisés dans la formation des planètes subsistent, telles les ceintures d’astéroïdes ou de Kuiper dans notre Système solaire. L’étude de ces disques de débris est d’une importance capitale car leur évolution et leur structure sont intimement liées à celles des planètes du système, tout en étant souvent plus facilement observables que les planètes elles-mêmes. Le pôle planétologie a, depuis deux décennies, développé une expertise de premier plan pour la modélisation numérique de ces disques. Cette expertise s’articule autour de 3 grands axes :

  • L’étude collisionnelle des disques de débris, avec un code statistique qui a permis de comprendre le lien en poussière observée et le réservoir total de matière solide ;
  • Le couplage entre évolution dynamique et collisionnelle, avec les codes DyCoSS et LIDT-DD, qui ont permis l’étude fine des interactions entre disques et planètes ou compagnons stellaires ;
  • L’étude de la composante gazeuse de ces disques avec, à la fois, des modèles explorant le taux de production de gaz et son observabilité (avec ALMA par exemple), mais aussi des modèles qui suivent l’évolution thermodynamique, physico-chimique et hydrodynamique de ce gaz. N’oublions pas les études les plus récentes qui permettent de comprendre l’accrétion de ce gaz par les planètes déjà formées et ses éventuelles conséquences sur les atmosphères de celles-ci.

 Composition et caractéristiques du pôle

Le pôle planétologie est coordonné par Sonia Fornasier et Nicolas Biver. Au 1er novembre 2022, il est composé de :

  • 8 chercheurs permanents
  • 2 chercheurs émérites
  • 15 enseignants chercheurs
  • 9 doctorants
  • 6 post-doctorants
  • 1 visiteur de longue durée

Membres permanents du pôle planétologie

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