21.E : La naissance des étoiles et la découverte de planètes en dehors du système solaire (exercices)

Pour une exploration plus approfondie

Des articles

Formation d'étoiles

Blaes, O. « Un univers de disques ». Scientific American (octobre 2004) : 48. Sur des disques d'accrétion et des jets autour de jeunes étoiles et de trous noirs.

Croswell, K. « La ceinture de poussière d'à côté [Tau Ceti] ». Scientific American (janvier 2015) : 24. Courte introduction aux observations récentes de planètes et d'une large ceinture de poussière.

Frank, A. « Starmaker : la nouvelle histoire de la naissance stellaire ». Astronomie (juillet 1996) : 52.

Jayawardhana, R. « Espionnage des pépinières stellaires ». Astronomie (novembre 1998) : 62. Sur des disques protoplanétaires.

O'Dell, C.R. « Exploration de la nébuleuse d'Orion ». Sky & Telescope (décembre 1994) : 20. Bonne critique avec les résultats de Hubble.

Ray, T. « Les fontaines de jouvence : les débuts de la vie d'une étoile ». Scientific American (août 2000) : 42. Sur les sorties de jeunes stars.

Young, E. « Nuageux avec une chance d'étoiles ». Scientific American (février 2010) : 34. Sur la façon dont les nuages de matière interstellaire se transforment en systèmes stellaires.

Young, Monica « Making Massive Stars ». Sky & Telescope (octobre 2015) : 24. Modèles et observations sur la formation des étoiles les plus massives.

Exoplanètes

Billings, L. « À la recherche de Jupiters extraterrestres ». Scientific American (août 2015) : 40—47. La course à l'imagerie des planètes joviennes avec les instruments actuels et pourquoi une image directe d'une planète terrestre est encore dans le futur.

Heller, R. « Mieux que la Terre ». Scientific American (janvier 2015) : 32—39. Quels types de planètes peuvent être habitables ; les superterres et les lunes des planètes joviennes doivent également être prises en compte.

Laughlin, G. « Comment les mondes se déchaînent ». Sky & Telescope (mai 2013) : 26. Sur la façon dont les planètes peuvent migrer depuis les endroits où elles se forment dans un système stellaire.

Marcy, G. « La nouvelle recherche de planètes lointaines ». Astronomie (octobre 2006) : 30. Bref aperçu. (Le même numéro contient un spectaculaire atlas visuel dépliable des planètes extrasolaires de cette époque.)

Redd, N. « Pourquoi n'avons-nous pas trouvé une autre Terre ? » Astronomie (février 2016) : 25. Recherche de planètes terrestres dans la zone habitable avec des signes de vie.

Seager, S. « Des exoplanètes partout ». Sky & Telescope (août 2013) : 18. Une excellente discussion sur certaines des questions fréquemment posées sur la nature et la disposition des planètes.

Seager, S. « La chasse aux superterres ». Sky & Telescope (octobre 2010) : 30. La recherche de planètes dont la masse est jusqu'à 10 fois supérieure à celle de la Terre et ce qu'elles peuvent nous apprendre.

Villard, R. « À la recherche de planètes semblables à la Terre ». Astronomie (avril 2011) : 28. Comment nous prévoyons de trouver et de caractériser la superTerre (des planètes un peu plus grandes que la nôtre) à l'aide de nouveaux instruments et de nouvelles techniques qui pourraient nous montrer de quoi est faite leur atmosphère.

Sites Web

Exploration d'exoplanètes : http://planetquest.jpl.nasa.gov/. PlanetQuest (issu du programme Navigator du Jet Propulsion Lab) est probablement le meilleur site pour les étudiants et les débutants, avec du matériel d'introduction et de belles illustrations ; il se concentre principalement sur les travaux et les missions de la NASA.

Exoplanètes : www.planetary.org/exoplanets/. Les pages de Planetary Society sur les exoplanètes avec un catalogue dynamique des planètes trouvées et de bonnes explications.

Exoplanètes : la recherche de planètes au-delà de notre système solaire : http://www.iop.org/publications/iop/...age_42551.html. Du British Institute of Physics en 2010.

Encyclopédie des planètes extrasolaires : http://exoplanet.eu/. Tenu par Jean Schneider de l'Observatoire de Paris, il possède le plus grand catalogue de découvertes de planètes et des documents de base utiles (dont certains sont plus techniques).

Formation des étoiles : https://www.spacetelescope.org/scien...tion_of_stars/. Page de formation des étoiles du télescope spatial Hubble, avec des liens vers des images et des informations.

Mission de Kepler : kepler.nasa.gov/. Le site Web public du remarquable télescope spatial qui explore les planètes à l'aide de la technique du transit et constitue notre meilleur espoir de trouver des planètes semblables à la Terre.

Découverte de la planète Proxima Centauri : http://www.eso.org/public/news/eso1629/.

Applis

Exoplanète : itunes.apple.com/fr/app/exopl... 327702034 ? mt=8. Vous permet de parcourir un catalogue visuel régulièrement mis à jour des exoplanètes découvertes jusqu'à présent.

Voyage vers les exoplanètes : itunes.apple.com/fr/app/journ... 463532472 ? mt=8. Produit par le personnel de Scientific American, avec la contribution de scientifiques et d'artistes de l'espace ; fournit des informations générales et des visites visuelles des systèmes stellaires les plus proches des planètes.

Vidéos

Une étoile est née : www.discovery.com/tv-shows/ot... -star-is-nais/. Vidéo de Discovery Channel avec l'astronome Michelle Thaller (2:25).

Sommes-nous seuls : une soirée de dialogue avec les responsables de la mission Kepler : http://www.youtube.com/watch?v=O7ItAXfl0Lw. Une table ronde non technique sur les résultats de Kepler et les idées sur la formation des planètes avec Bill Borucki, Natalie Batalha et Gibor Basri (animée par Andrew Fraknoi) à l'université de Californie à Berkeley (2:07:01).

Finding the Next Earth : les derniers résultats de Kepler : https://www.youtube.com/watch?v=ZbijeR_AALo. Natalie Batalha (San Jose State University et NASA Ames) parle en public dans le cadre de la série de conférences sur l'astronomie de la Silicon Valley (1:28:38).

Des Jupiters chauds aux mondes habitables : vimeo.com/37696087 (partie 1) et vimeo.com/37700700 (partie 2). Conférence publique de Debra Fischer (Université de Yale) à Hawaï parrainée par l'observatoire Keck (15h20, partie 1, 21h32, partie 2).

Recherchez des exoplanètes habitables : http://www.youtube.com/watch?v=RLWb_T9yaDU. Conférence publique de Sara Seeger (MIT) à l'Institut SETI, avec les résultats de Kepler (1:10:35).

Des vues planétaires étranges : http://www.youtube.com/watch?v=_8ww9eLRSCg. Conférence publique de Josh Carter (CfA) au Center for Astrophysics de Harvard avec une introduction amicale aux exoplanètes pour les non-spécialistes (46:35).

Activités de groupe collaboratives

1. Votre groupe est un sous-comité de scientifiques qui examine si des « Jupiter chauds » (des planètes géantes plus proches de leurs étoiles que Mercure ne l'est du Soleil) pourraient avoir de la vie sur elles ou à proximité. Pouvez-vous trouver des endroits sur, à l'intérieur ou à proximité de ces planètes où la vie pourrait se développer ou où certaines formes de vie pourraient survivre ?
2. Un couple fortuné (anciens élèves de votre collège ou université et amoureux des bébés) abandonne le programme d'astronomie de plusieurs millions de dollars par testament, pour dépenser de la meilleure façon possible la recherche « d'étoiles naissantes dans notre section de la Galaxie ». Votre groupe a été chargé de conseiller le doyen sur la meilleure façon de dépenser l'argent. Quels types d'instruments et de programmes de recherche recommanderiez-vous et pourquoi ?
3. Certains considèrent la découverte de toutes les planètes (même les plus chaudes de Jupiter) autour d'autres étoiles comme l'un des événements les plus importants de l'histoire de la recherche astronomique. Certains astronomes ont été surpris que le public ne soit pas plus enthousiasmé par les découvertes de la planète. L'une des raisons avancées pour expliquer ce manque de surprise et d'enthousiasme du public est que les histoires de science-fiction nous préparent depuis longtemps à la présence de planètes autour d'autres étoiles. (The Starship Enterprise de la série télévisée Star Trek des années 1960 en a trouvé un peu dans presque tous les épisodes hebdomadaires.) Qu'en pense votre groupe ? Connaissiez-vous la découverte de planètes autour d'autres étoiles avant de suivre ce cours ? Trouvez-vous cela passionnant ? Avez-vous été surpris d'en entendre parler ? Les films et livres de science-fiction sont-ils de bons ou de mauvais outils pour l'enseignement de l'astronomie en général, pensez-vous ?
4. Et si les futurs instruments spatiaux révélaient une exoplanète semblable à la Terre avec des quantités importantes d'oxygène et de méthane dans son atmosphère ? Supposons que la planète et son étoile se trouvent à 50 années-lumière. Que suggère votre groupe aux astronomes de faire ensuite ? Combien d'efforts et d'argent recommanderiez-vous de consacrer à en savoir plus sur cette planète et pourquoi ?
5. Discutez avec votre groupe de la question suivante : qu'est-ce qui est le plus facile à trouver en orbite autour d'une étoile avec les instruments que nous avons aujourd'hui : une planète jovienne ou un disque proto-planétaire ? Dressez une liste d'arguments pour chaque côté de cette question.
6. (Cette activité doit être effectuée lorsque votre groupe a accès à Internet.) Accédez à la page qui répertorie toutes les images du télescope spatial Hubble publiées publiquement par sujet : http://hubblesite.org/newscenter/arc... /naviguer/image/. Sous « Étoile », allez dans « Disque protoplanétaire » et trouvez un système (non mentionné dans ce chapitre) qui plait à votre groupe, et préparez un court rapport à l'intention de la classe expliquant pourquoi vous le trouvez intéressant. Ensuite, sous « Nébuleuse », allez dans la section « Émission » et trouvez une région de formation d'étoiles qui n'est pas mentionnée dans ce chapitre, et préparez un court rapport à l'intention de la classe sur ce que vous trouvez intéressant à son sujet.
7. Il existe un site Web de « science citoyenne » appelé Planet Hunters (http://www.planethunters.org/) où vous pouvez participer à l'identification d'exoplanètes à partir des données fournies par Kepler. Votre groupe doit accéder au site, travailler ensemble pour l'utiliser et classer deux courbes de lumière. Rends compte à la classe de ce que tu as fait.
8. Yuri Milner, un milliardaire russo-américain, s'est récemment engagé à verser 100 millions de dollars pour développer la technologie permettant d'envoyer de nombreuses sondes miniaturisées vers une étoile du système triple Alpha Centauri (qui comprend Proxima Centauri, l'étoile la plus proche de nous, aujourd'hui connue pour avoir au moins une planète). Chaque minuscule sonde sera propulsée par de puissants lasers à 20 % de la vitesse de la lumière, dans l'espoir qu'une ou plusieurs d'entre elles puissent arriver en toute sécurité et être en mesure de renvoyer des informations sur la situation là-bas. Votre groupe doit effectuer une recherche en ligne pour obtenir plus d'informations sur ce projet (intitulé « Breakthrough : Starshot ») et discuter de vos réactions à ce projet. Donnez des raisons précises à l'appui de vos arguments.

Questions de révision

1. Donnez plusieurs raisons : le nuage moléculaire d'Orion est un « laboratoire » si utile pour étudier les étapes de la formation des étoiles.
2. Pourquoi la formation d'étoiles est-elle plus susceptible de se produire dans des nuages moléculaires froids que dans des régions où la température du milieu interstellaire est de plusieurs centaines de milliers de degrés ?
3. Pourquoi avons-nous beaucoup appris sur la formation des étoiles depuis l'invention des détecteurs sensibles au rayonnement infrarouge ?
4. Décrivez ce qui se passe lorsqu'une étoile se forme. Commencez par un noyau dense de matière dans un nuage moléculaire et tracez l'évolution jusqu'au moment où l'étoile nouvellement formée atteint la séquence principale.
5. Décrivez comment le stade de l'étoile T Tauri dans la vie d'une étoile de faible masse peut mener à la formation d'un objet Herbig-Haro (H-H).
6. Examinez les quatre étapes illustrées dans la Figure\(21.1.7\) de la Section 21.1. À quel (s) stade (s) pouvons-nous voir l'étoile en lumière visible ? Dans les rayons infrarouges ?
7. La trajectoire évolutive d'une étoile de 1 masse solaire reste presque verticale sur le diagramme H—R pendant un certain temps (voir la figure\(21.2.1\) de la section 21.2). Comment sa luminosité évolue-t-elle pendant cette période ? Sa température ? Son rayon ?
8. Deux protoétoiles, l'une 10 fois la masse du Soleil et la moitié de la masse du Soleil, naissent en même temps dans un nuage moléculaire. Lequel sera le premier à atteindre le stade de la séquence principale, où il est stable et tire son énergie de la fusion ?
9. Comparez l'échelle (taille) d'un disque poussiéreux typique autour d'une étoile en formation à l'échelle de notre système solaire.
10. Pourquoi est-ce si difficile de voir des planètes autour d'autres étoiles et si facile de les voir autour de la nôtre ?
11. Pourquoi les astronomes ont-ils attendu 1995 pour découvrir la première exoplanète orbitant autour d'une autre étoile comme le Soleil ?
12. Quels types de planètes sont les plus facilement détectés par les mesures Doppler ? Par des transports en commun ?
13. Énumérez trois raisons pour lesquelles les exoplanètes que nous avons détectées se sont révélées différentes des planètes de notre système solaire.
14. Énumérez toutes les similitudes entre les exoplanètes découvertes et les planètes de notre système solaire.
15. Quelles révisions de la théorie de la formation des planètes les astronomes ont-ils dû apporter à la suite de la découverte d'exoplanètes ?
16. Pourquoi les jeunes Jupiter sont-ils plus faciles à voir avec l'imagerie directe que les anciens Jupiter ?

Questions de réflexion

1. Une de vos amies qui n'a pas obtenu de bons résultats dans son cours d'astronomie vous dit qu'elle croit que toutes les étoiles sont vieilles et qu'aucune ne pourrait naître aujourd'hui. Quels arguments utiliseriez-vous pour la persuader que des étoiles naissent quelque part dans la Galaxie au cours de votre vie ?
2. Les observations suggèrent qu'il faut plus de 3 millions d'années pour que la poussière commence à se dégager des régions internes des disques entourant les protoétoiles. Supposons que ce soit le temps minimum requis pour former une planète. Vous attendriez-vous à trouver une planète autour d'une\(M_{\text{Sun}}\) étoile 10 ? (Reportez-vous à\(21.2.1\) la figure de la section 21.2.)
3. Supposons que vous souhaitiez observer une planète autour d'une autre étoile par imagerie directe. Essayeriez-vous d'observer en lumière visible ou dans l'infrarouge ? Pourquoi ? La planète serait-elle plus facile à voir si elle se trouvait à 1 UA ou 5 UA de son étoile ?
4. Pourquoi les planètes géantes proches de leurs étoiles ont-elles été les premières découvertes ? Pourquoi la même technique n'a-t-elle pas encore été utilisée pour découvrir des planètes géantes au loin de Saturne ?
5. Les exoplanètes sur des orbites excentriques subissent de grandes variations de température pendant leurs orbites. Supposons que vous deviez planifier une mission sur une telle planète. Selon la deuxième loi de Kepler, la planète passe-t-elle plus de temps plus près ou plus loin de l'étoile ? Expliquez.

Se débrouiller par vous-même

1. Lorsque les astronomes ont découvert les premières planètes géantes avec des orbites de quelques jours seulement, ils ne savaient pas si ces planètes étaient gazeuses et liquides comme Jupiter ou rocheuses comme Mercure. Les observations de HD 209458 ont réglé cette question car les observations du transit de l'étoile par cette planète ont permis de déterminer le rayon de la planète. Utilisez les données données dans le texte pour estimer la densité de cette planète, puis utilisez ces informations pour expliquer pourquoi elle doit être une géante gazeuse.
2. Un système exoplanétaire possède deux planètes connues. La planète X orbite en 290 jours et la planète Y en 145 jours. Quelle planète est la plus proche de son étoile hôte ? Si l'étoile a la même masse que le Soleil, quel est le demi-grand axe des orbites des planètes X et Y ?
3. La troisième loi de Kepler indique que la période orbitale (en années) est proportionnelle à la racine carrée du cube de la distance moyenne (en UA) par rapport au Soleil (\(P \propto a^{1.5}\)). Pour des distances moyennes comprises entre 0,1 et 32 UA, calculez et tracez une courbe indiquant la période keplérienne attendue. Pour chaque planète de notre système solaire, recherchez la distance moyenne par rapport au Soleil en UA et la période orbitale en années et surtracez ces données sur la courbe de Keplérian théorique.
4. Calculez la profondeur de transit d'une étoile naine M dont le rayon est 0,3 fois supérieur au rayon du Soleil avec une planète gazeuse géante de la taille de Jupiter.
5. Si une profondeur de transit de 0,00001 peut être détectée avec la sonde Kepler, quelle est la plus petite planète pouvant être détectée autour d'une étoile naine de 0,3\(R_{\text{sun}}\) M ?
6. Quelle fraction des planètes géantes gazeuses semble avoir des rayons gonflés ?