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de la recherche !

Par Jean-François Dars & Anne Papillault

photo André Kertész

RADIO PLANÈTES / RADIO PLANETS

Une clef des exoplanètes est dans les champs d’antennes.

Antenna arrays are key to understanding exoplanets.

Philippe Zarka
4 Juin, 2018
Tapuscrit...

Philippe Zarka – La découverte des exoplanètes, simplement leur existence, leur orbite et puis une petite information sur leur masse, dans les années 90, ça a révolutionné l’étude de la dynamique, et en particulier de la formation du système solaire. Avant, on avait un seul système solaire, il fallait expliquer que les planètes telluriques se forment près de l’étoile, les planètes géantes plus loin. Et on n’y arrivait pas trop mal. Mais les premières exoplanètes qu’on a découvertes ont d’abord été des planètes très inattendues, alors il y en a eu autour d’un pulsar, et puis, surtout, il y a eu les Jupiter chauds, donc des grosses planètes qui orbitaient très près de leur étoile. Et ça a remis en cause les théories de formation et il a fallu par exemple inventer la migration planétaire. De la même façon, les magnétosphères de la Terre, Mercure, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune, sont toutes très, très différentes pour ce qu’on en a vu avec les sondes Voyager, bien qu’elles soient fondées sur les même processus physiques, universels, et donc il est à peu près certain que la découverte de champs magnétiques et de magnétosphères d’exoplanètes, ça amènera une révolution comparable dans cette thématique. La magnétosphère, c’est la bulle, gigantesque, qui entoure une planète magnétisée, et qui à la fois la protège et puis est un accélérateur de particules chargées, et ces particules produisent les aurores et les émissions radio entre autres.

Alors, le problème, c’est que les exoplanètes sont beaucoup plus loin que Jupiter, et que le fond du ciel, qui est noir en optique, il est très, très brillant en radio, parce qu’il y a beaucoup d’électrons énergétiques qui se baladent dans le champ magnétique de la galaxie. Et donc, l’enjeu de détecter les exoplanètes, en radio, c’est vraiment comparable à ce qu’a donné leur détection en optique, leur détection en optique a révolutionné les théories de formation du système solaire. Leur détection en radio, on en attend la mesure du champ magnétique, de la rotation de ces planètes, de l’inclinaison de leur orbite, l’énergie électromagnétique échangée avec l’étoile, voire la présence de satellites. Accessoirement, un champ magnétique, ça pourrait être un facteur favorable à l’apparition de la vie, parce qu’une protection, en fait, de la surface planétaire et de son atmosphère.

Alors, quand on fait le calcul, on s’aperçoit qu’il faut une énorme surface collectrice d’antennes pour espérer détecter une émission radio d’exoplanète, et encore faut-il qu’elle soit nettement plus intense que celles de Jupiter avec les plus grands instruments dont on dispose aujourd’hui. Côté théorique, grâce à l’analyse de plus de vingt-cinq ans d’observations qu’on a faites au réseau décamétrique de Nançay, ici, on a pu répondre positivement à la question : oui, il y a probablement des émetteurs radio beaucoup plus intenses que Jupiter, et il est probable que ce sont les Jupiter chauds. Pour les observations, j’ai d’abord utilisé le radiotélescope géant de Kharkov, en Ukraine, qui fait 1 km sur 2. Et puis ensuite le réseau d’antennes LOFAR, un immense radiotélescope de nouvelle génération, distribué sur plus de 2 000 km à travers l’Europe, mais qui est dilué, bien sûr. Alors on a conçu il y a quelques années, et on est en train de construire, avec les ingénieurs et puis les autres personnels de la station de radioastronomie de Nançay, un nouveau radiotélescope, il s’appelle NenuFAR, qui est un acronyme qui veut dire une extension de LOFAR à Nançay. C’est un instrument qui comporte autant d’antennes que tout LOFAR, plus sensibles, en particulier aux basses fréquences, mais qui sont concentrées dans un diamètre très restreint, un cœur de 400 m et quelques réseaux d’antennes jusqu’à 3 km. Et on va commencer à observer en 2018. Et puis à l’horizon de la prochaine décennie, il y a le réseau mondial SKA, qui est en cours d’étude et de prototypage actuellement, et lui, il devrait permettre de détecter des émissions radio à peine plus intenses que celles de Jupiter, à la distance de la centaine d’étoiles les plus proches, on va dire, quelques dizaines de parsecs…

Et donc, avec les exoplanètes en radio, si on a un peu de chance et qu’on détecte bien tout, on pourrait avoir couvert le domaine de bout en bout, et ça, ce serait vraiment une très belle histoire, pas très courte, hein, elle s’étale sur vingt-cinq ans, mais finalement c’est très peu à l’échelle du l’Univers…

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Transcript...

Philippe Zarka – The discovery of exoplanets in the 90’s told us only of their existence, their orbit and a little information on their mass but it caused a revolution in the study of the dynamics and in particular of the formation of the solar system. Before, we had just one solar system that required us to explain why rocky planets form near the star, giant planets further away. And we managed fairly well. But the first exoplanets to be discovered were quite unexpected with some of them going around a pulsar and even more strange, hot Jupiters that are big planets that orbit very near their star. And this threw theories of formation up in the air and it was necessary for example to invent planetary migration. In the same way, the magnetospheres of Earth, Mercury, Jupiter, Saturn, Uranus and Neptune are all very, very different judging by what was found by the Voyager probes, even though they are formed by the same universal physical processes. It is therefore all but certain that the discovery of magnetic fields and magnetospheres in exoplanets will lead to a comparable revolution in this topic. The magnetosphere is the gigantic bubble that surrounds a magnetised planet and protects it while at the same time being an accelerator of charged particles. These particles produce auroras and radio waves among other things.

Now the problem is that exoplanets are much further away than Jupiter. Furthermore, the cosmic background that is black at optical wavelengths is very, very bright at radio wavelengths because there are lots of energetic electrons that wander round in the galaxy’s magnetic field. The possibility is that detecting exoplanets at radio wavelengths will do much the same as their detection at optical wavelengths where the detection has caused a revolution in the theories of the formation of the solar system. With observations at radio wavelengths we can expect to measure the magnetic field of these planets, their rotation, the inclination of the orbit, the exchange of electromagnetic energy with their star and perhaps the presence of satellites. Note that a magnetic field can be a factor favourable to the formation of life because it in fact protects the surface of the planet and its atmosphere.

Now when we do the calculations we find that antennas with an enormous collection area will be needed if they are to detect radio waves from an exoplanet. Even then, using the biggest instruments available today, emissions will have to be much more intense than those of Jupiter. As for the theory, thanks to more than 25 years of observation with the Nançay decametric network, we were able to respond positively to the question: yes, there are probably radio transmitters much stronger than Jupiter, and probably they are hot Jupiters. As for the astronomical observation, I first used the giant Kharkov radio telescope, in Ukraine, that measures 1 km by 2 km. And thereafter, it was the LOFAR antenna network, a huge latest generation radio telescope, which stretches more than 2000 km across Europe, albeit with some gaps, of course. A few years ago we joined the engineers and other personnel of the Nançay radio-astronomy in proposing a new telescope called NenuFAR that we are now constructing, the name being an acronym meaning an extension of LOFAR at Nançay. It is an instrument that deploys as many antennas as the whole of LOFAR but the antennas are more sensitive, particularly at low frequencies. They are concentrated in core with a very tight diameter of 400 metres with a few antenna networks stretching out to 3 km and observations will begin in 2018. And then looking into the next decade, there will be the worldwide SKA network that is under study with prototypes being tried now. This will let us detect emissions that are barely more intense than those of Jupiter at distances that include the hundred closest stars, that is to say a few dozen parsecs…

With a bit of luck we will get comprehensive radio-wave observations of the exoplanets and will then have covered the spectrum from end to end. That really would be a very satisfying story, OK not so short because it will have taken twenty five years but when you think about it, that’s not much on the scale of the Universe…

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Directeur de recherche au CNRS en astrophysique au LESIA (Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique) de l’Observatoire de Paris, Philippe Zarka, outre ses responsabilités au sein de la mission Cassini-Huygens, plante avec constance des forêts d’antennes radio dans la forêt de pins de Nançay, au cœur de la Sologne, d’où il pense pouvoir détecter et étudier de nouvelles propriétés des exoplanètes – notamment leurs magnétosphères – en radio.

Philippe Zarka is an astrophysicist and director of research (CNRS) at the LESIA, (Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique) a department of the Observatoire de Paris. Besides his responsibilities in the Cassini-Huygens mission, he keeps planting forests of radio antennas in the Nançay pine forest, in the heart of Sologne, from where he reckons he will be able to detect and study new properties of exoplanets – especially their magnetospheres – at radio wavelengths