Émilie Mauduit, étudiante en maths spé au Lycée La Pérouse – Kerichen de Brest durant l’année 2017-2018, a choisi de contacter l’association « Gens de la Lune » pour réaliser son « TIPE ».(il s’agit d’une épreuve orale commune à l’ensemble des concours nationaux aux écoles d’ingénieurs).. L’observatoire astronomique de la Pointe du Diable est un lieu d’échange et de partage entre les membres de l’association gestionnaire, les personnels et étudiants de l’IMT Atlantique et l’extérieur. L’observatoire accompagne les étudiants dans la réussite de leur projet et c’est donc avec plaisir et enthousiasme que Jean LE HIR et Philippe LE GARS, responsables de l’association « Gens de la Lune », ont accepté d’aider Émilie dans la réalisation de son projet : détecter une exoplanète par photométrie.
Émilie devait choisir une problématique, établir le protocole expérimental adéquat pour y répondre, le réaliser et conclure. Voici donc un aperçu de son travail avec l’Observatoire. La problématique retenue a donc été « Comment mettre en évidence la présence d’une planète autour d’une étoile et en déduire ses caractéristiques en étudiant les variations de luminosité de l’étoile ? ». Pour cela, j’ai d’abord pris contact avec l’observatoire au début de l’année scolaire, mon projet a été accueilli avec beaucoup d’enthousiasme, et après quelques séances, je maîtrisais l’utilisation du télescope.
Tout d’abord, quelques explications sur la méthode utilisée : celle du transit planétaire. Cette méthode repose donc sur l’étude de la variation de luminosité apparente de l’étoile au cours du temps. En effet, lorsque la planète passe entre l’étoile et nous, elle cache une petite partie de cette dernière comme une éclipse partielle, ce phénomène se détecte par la diminution de la luminosité apparente de l’étoile.
La première étape a donc été de choisir l’étoile cible dans le catalogue des étoiles possédant une exoplanète, grâce à mes recherches et aux précieux conseils de Jean LE HIR, j’ai pu choisir mon étoile : ce sera XO-2N et sa planète XO-2N b. Pourquoi ce choix ? Il me fallait une étoile :
- assez haute dans le ciel d’hiver pour s’affranchir du bruit généré par la traversée de l’atmosphère,
- dont la planète avait une période de révolution assez courte, pour avoir plusieurs chances d’observer le transit dans l’année, pour XO-2N b cette période est de 2.6 jours,
- de magnitude correcte, pour XO-2N elle est de 11.2 ce qui est tout à fait acceptable pour le matériel de l’observatoire.
Champ stellaire autour de de l’étoile XO-2N
Il a fallu ensuite se familiariser avec la caméra CCD et son fonctionnement et, grâce aux explications de Philippe LE GARS, cette dernière n’avait plus de secret pour moi. De nombreuses soirées d’observations nous ont permis de trouver les réglages les mieux adaptés à l’observation que l’on voulait mener : temps de pose, réducteur de focale avec aplanisseur de champ, température du capteur, etc..
Pour que les photos prises soient exploitables, il fallait les traiter de manière spécifique :
- en soustrayant DARK et offset, qui donnent l’activité des pixels de la caméra dans le noir lors d’une pose égale à celle de la photo pour le dark et extrêmement courte pour l’offset. Cela permet de réduire le bruit sur la photo.
- en divisant par un PLU (plage de luminosité uniforme), qui permet de s’affranchir du fait que la sensibilité des capteurs n’est pas la même dans tout le champ, aussi bien pour des raisons électroniques (tous les pixels n’ont pas le même rendement) que pour des raisons optiques (la fonction de transfert optique du système n’est pas uniforme). Nous corrigeons aussi les effets de pénombre dus aux poussières inopportunément présentes sur la vitre de protection du capteur CCD.
En effet, la variation de magnitude que l’on doit observer est de l’ordre du centième, il nous faut des photos aussi précises que possible ! La mesure consiste à comparer la magnitude de l’étoile cible aux magnitudes des autres étoiles du champ en tenant compte de la luminosité du fond de ciel qui n’est ni uniforme dans le champ ni invariante dans le temps.
Il s’agit ici d’une image brute du même champ stellaire avant prétraitement. Une telle image serait inexploitable pour la photométrie.
Sachant tout cela, j’étais fin prête pour mener mon expérience, mais le mauvais temps a été très présent, ce qui fait que lorsque j’ai enfin eu du beau temps un soir de transit, l’étoile était beaucoup trop basse dans l’atmosphère et donc elle s’est retrouvée noyée dans le bruit et les photos étaient inexploitables. Pour tout de même avoir des résultats à présenter le jour de mon oral, j’ai contacté Mr Jacques MICHELET de l’observatoire de Haute-Provence qui, avec du matériel similaire, avait réussi à observer ce transit plus tôt dans l’année. Il m’a donc très gentiment envoyé ses photos brutes ainsi que ses PLU, DARK et offset et j’ai pu mettre en oeuvre le même protocole de traitement que si ces photos avaient été les miennes.
Une fois l’intégralité des photos prétraitées (environ 200, l’expérience dure près de 5h), j’ai réalisé la photométrie avec le logiciel MUNIWIN, cette opération consiste à effectuer une mesure relative de la magnitude de l’étoile choisie par rapport à celle des autres étoiles (de luminosité fixe) présentes dans le champ. Cela m’a donc permis d’obtenir la courbe de lumière suivante :
Enfin, je mesure sur cette courbe la durée du transit ainsi que la valeur de la variation de magnitude, ces données me permettront donc via des considérations mathématiques et en appliquant les théorèmes de la physique de remonter à certaines caractéristiques de l’étoile, de sa planète et de l’orbite de cette dernière.
En conclusion de cet article, réaliser mon TIPE au sein de l’Observatoire et avec l’aide de Jean et Philippe a été une expérience extrêmement enrichissante pour moi, cela m’a permis d’acquérir de nouvelles connaissances en matière d’astronomie mais aussi de voir que même si tout semble extrêmement compliqué en premier abord, il suffit d’être rigoureux et de fournir le travail nécessaire en amont pour que tout s’éclaire. Jean et Philippe m’ont été d’une grande aide dans l’apprentissage des bases de l’astronomie et la maîtrise du matériel. J’ai également eu l’incroyable chance de présenter mon TIPE sous forme de conférence ouverte au public le 1er juin 2018 à l’IMT-Atlantique, cela a vraiment été une expérience révélatrice pour moi et d’un grand bénéfice dans ma préparation à effectuer l’exercice devant un jury de concours. J’ai pu, grâce à ce premier essai, avoir des avis, des conseils, des remarques des plus constructives pour améliorer ma présentation.
C’est donc grâce à mon travail, à la grande disponibilité et surtout à la bienveillance des membres l’Observatoire, et plus particulièrement de Jean et Philippe, que j’ai finalement obtenu l’excellente note de 20/20 à cet oral !
Je remercie donc énormément l’Observatoire pour cette belle et enrichissante expérience qui m’a permis de réussir cette épreuve avec brio, et de trouver ma voie pour la poursuite de mes études. Alors si vous êtes intéressés par les astres, motivés et prêts à donner de vous-même, c’est avec le même enthousiasme que l’association vous accueillera pour vous accompagner dans votre TIPE, pour les élèves de classe prépa, ou dans votre projet étudiant, pour les élèves de facultés ou d’écoles d’ingénieurs.