Searching for extra-solar planets and probing the atmosphere of Bulge giant stars through gravitational microlensing
L'effet de microlentille gravitationnelle dans la recherche de planètes extra-solaires et dans le sondage d'atmosphères d'étoiles géantes du Bulbe
Résumé
A galactic microlensing effect occurs when a luminous object (the source) located in the Bulge of the Milky Way is temporarily magnified by an intervening star (the "microlens'') passing close to its line of sight. This phenomenom is used for searching extra-solar planets and constraining their abundance, as well as probing the atmosphere of Bulge giant stars.
The PLANET collaboration (Probing Lensing Anomalies NETwork) monitors carefully chosen ongoing microlensing events on a round-the-clock basis from observatories in the southern hemisphere. Mathematical and numerical methods are developed to deal with both the highly non-linear equations and the wide parameter space plagued with many local minima.
Microlensing exoplanet detection is possible because planets can induce perturbations to the standard lensing light curves. Its sensitivity can go down to Earth-mass planets, thanks to gravitational caustics that arise from a binary lens. If crossed by the source, additional secondary magnification peaks in the light curve can occur. OGLE 2005-BLG-390Lb is the third extra-solar planet detected by this method so far, and its discovery is reported here. It is the lightest exoplanet to date - about five Earth masses - located at a rather large distance of its star, that is about three astronomical units.
A selection of microlensing events monitored during the 1995-2004 period was used to derive limits on exoplanets abundance around red dwarf stars. The method is described and detection efficiency diagrams are provided as a basis of the statistical analysis.
Last, a differential magnification effect over the disk of the source star is used as a tool to probe Bulge giants stellar atmospheres. Limb-darkening parameters of a set of stars have been measured and compared to atmosphere models. Moreover, a high-resolution spectroscopic monitoring of a Bulge G5III giant at 9 kpc made possible both the measurement of the individual lines equivalent width and the direct detection of its chromosphere.
The PLANET collaboration (Probing Lensing Anomalies NETwork) monitors carefully chosen ongoing microlensing events on a round-the-clock basis from observatories in the southern hemisphere. Mathematical and numerical methods are developed to deal with both the highly non-linear equations and the wide parameter space plagued with many local minima.
Microlensing exoplanet detection is possible because planets can induce perturbations to the standard lensing light curves. Its sensitivity can go down to Earth-mass planets, thanks to gravitational caustics that arise from a binary lens. If crossed by the source, additional secondary magnification peaks in the light curve can occur. OGLE 2005-BLG-390Lb is the third extra-solar planet detected by this method so far, and its discovery is reported here. It is the lightest exoplanet to date - about five Earth masses - located at a rather large distance of its star, that is about three astronomical units.
A selection of microlensing events monitored during the 1995-2004 period was used to derive limits on exoplanets abundance around red dwarf stars. The method is described and detection efficiency diagrams are provided as a basis of the statistical analysis.
Last, a differential magnification effect over the disk of the source star is used as a tool to probe Bulge giants stellar atmospheres. Limb-darkening parameters of a set of stars have been measured and compared to atmosphere models. Moreover, a high-resolution spectroscopic monitoring of a Bulge G5III giant at 9 kpc made possible both the measurement of the individual lines equivalent width and the direct detection of its chromosphere.
Un effet de microlentille gravitationnelle galactique a lieu lorsqu'une étoile d'avant-plan du disque de la Voie Lactée (la "microlentille") croise la ligne de visée d'une étoile d'arrière-plan située dans le Bulbe (la source). Le phénomène s'accompagne d'une amplification caractéristique du flux lumineux. Cette propriété est utilisée comme outil original aussi bien pour la recherche de planètes extra-solaires et la détermination de limites à leur abondance, que pour réaliser la tomographie d'étoiles géantes du Bulbe.
Grâce à un réseau de télescopes régulièrement espacés en longitude dans l'hémisphère sud, la collaboration internationale PLANET (Probing Lensing Anomalies NETwork) procède à un suivi précis et continu d'événements de microlentille soigneusement choisis. Des méthodes mathématiques et numériques adaptées à leur modélisation sont utilisées, afin de répondre aux problèmes posés par la non-linéarité des équations et la configuration particulière de l'espace des paramètres, qui est à la fois vaste et constitué de nombreux minima locaux.
Une planète extra-solaire peut être détectée par cette technique si sa présence produit une déviation dans la courbe de lumière produite par son étoile-hôte. L'un des points forts de cette méthode réside dans sa capacité à mettre au jour des exoplanètes en orbite à quelques unités astronomiques et de masse aussi petite que celle de la Terre, grâce aux caustiques gravitationnelles produites par la planète. Ces dernières peuvent engendrer un pic d'amplification secondaire significatif, si la source vient à les traverser. La découverte de l'exoplanète OGLE 2005-BLG-390Lb porte à trois le nombre de détections par effet de microlentille ; elle est présentée ici. Outre le fait d'être à ce jour la planète la moins massive détectée - environ cinq fois la Terre - elle se situe à une distance appréciable de son étoile-hôte, soit trois unités astronomiques.
Les observations réalisées sont également mises à profit afin de poser des limites à l'abondance de planètes extra-solaires autour d'étoiles naines rouges. Pour une sélection de microlentilles observées entre 1995 et 2004 et qui ne présentent pas de signature planétaire évidente, des diagrammes d'efficacité de détection sont calculés selon une méthode décrite ici. Les résultats obtenus forment alors la base de l'étude statistique.
Enfin, un effet d'amplification différentielle du disque de l'étoile-source, lorsque cette dernière traverse une caustique, est exploité afin de sonder l'atmosphère d'étoiles géantes du Bulbe. Les mesures de coefficients d'assombrissement centre-bord de plusieurs étoiles sont rapportées et comparées aux prédictions des modèles. En outre, grâce à un suivi spectroscopique à haute résolution spectrale, il a été possible de confronter aux modèles les mesures de largeur équivalente de raies spectrales en plusieurs points du disque d'une géante G5III du Bulbe, à 9 kpc, et d'en détecter directement la chromosphère.
Grâce à un réseau de télescopes régulièrement espacés en longitude dans l'hémisphère sud, la collaboration internationale PLANET (Probing Lensing Anomalies NETwork) procède à un suivi précis et continu d'événements de microlentille soigneusement choisis. Des méthodes mathématiques et numériques adaptées à leur modélisation sont utilisées, afin de répondre aux problèmes posés par la non-linéarité des équations et la configuration particulière de l'espace des paramètres, qui est à la fois vaste et constitué de nombreux minima locaux.
Une planète extra-solaire peut être détectée par cette technique si sa présence produit une déviation dans la courbe de lumière produite par son étoile-hôte. L'un des points forts de cette méthode réside dans sa capacité à mettre au jour des exoplanètes en orbite à quelques unités astronomiques et de masse aussi petite que celle de la Terre, grâce aux caustiques gravitationnelles produites par la planète. Ces dernières peuvent engendrer un pic d'amplification secondaire significatif, si la source vient à les traverser. La découverte de l'exoplanète OGLE 2005-BLG-390Lb porte à trois le nombre de détections par effet de microlentille ; elle est présentée ici. Outre le fait d'être à ce jour la planète la moins massive détectée - environ cinq fois la Terre - elle se situe à une distance appréciable de son étoile-hôte, soit trois unités astronomiques.
Les observations réalisées sont également mises à profit afin de poser des limites à l'abondance de planètes extra-solaires autour d'étoiles naines rouges. Pour une sélection de microlentilles observées entre 1995 et 2004 et qui ne présentent pas de signature planétaire évidente, des diagrammes d'efficacité de détection sont calculés selon une méthode décrite ici. Les résultats obtenus forment alors la base de l'étude statistique.
Enfin, un effet d'amplification différentielle du disque de l'étoile-source, lorsque cette dernière traverse une caustique, est exploité afin de sonder l'atmosphère d'étoiles géantes du Bulbe. Les mesures de coefficients d'assombrissement centre-bord de plusieurs étoiles sont rapportées et comparées aux prédictions des modèles. En outre, grâce à un suivi spectroscopique à haute résolution spectrale, il a été possible de confronter aux modèles les mesures de largeur équivalente de raies spectrales en plusieurs points du disque d'une géante G5III du Bulbe, à 9 kpc, et d'en détecter directement la chromosphère.