Introduction to Exoplanets : Code ED-SPU15-STE15

3 points

General Information:

  • Sébastien Charnoz charnoz@ipgp.fr
  • Dates:   Thursday mornings , 9:00-12:00. First course on Thursday November 4th.  7 lectures in total.
  • Langue: English  (with some slides in French)
Schedule: Lectures  at IPGP, 1 Rue Jussieu, 75005 Paris
4 novembre : 9h-12, salle P14
11 et 18 novembre : no lecture
25/11 : 9h-12h, salle P23
2/12 :  9h-12h, salle P23
9/12 : 9h-12h, salle P23
16/12 : 9h-12h, salle P23
6/01/2022 : 9h-12, salle P14
13/01/2022 : 9h-12, salle P14

This lecture aims to give a general culture to the field of exoplanets, from detection to the physics of exoplanets and their formation. The lecture will be in English language, whereas slides will be in French (for a fraction of them). This lecture is open to anybody.
The detailed outline of the lecture is as follows :


Chapter 1: From planets to exoplanets: historical aspects, first discoveries and major observation programs.
– Presentation of the Solar System and its main characteristics.
– The extrasolar planets: first pre-Socratic ideas, Giordano Bruno
– Difficulty of detection.
– First detection of an exoplanet around a pulsar.
– Discovery of the first exoplanet around a main sequence star (51 Pegasus)
– Overview of space missions: Corot, Kepler, CHEOPS, TESS, PLATO, ARIEL
– Overview of ground-based programs: WASP, TRAPPIST etc.
– Quick presentation of the population of exoplanets discovered.

Chapter 2: Radial velocity (RV) detection & Transit 1
– Two body problem.
– Detection by spectroscopy, Doppler effect
– Selection effects, observational biases
– Example of detection.
– Presentation of one or two instruments (HARPS, HIRES .)
– Detection of planetary systems by radial velocities.
– Principle of the detection by transit. Complementarity with radial velocities.
– Theory of light curves, an example from Kepler.
– Bias : what can be detected ?

Chapter 3 : Transits 2 + Direct Imaging
– Secondary transit : What information ? examples
– Detection of multiple systems: The « transis time variations » (TTV)
– example: the case of the TRAPPIST system
– Spectroscopy and transits: The Rossiter-McLaughlin effect
– Difficulty of direct imaging
– Techniques: adaptive optics, coronagraphic mask, speckles. Observation strategy.
– Some examples : HR8799, Beta Pictoris b
– Bias
– The future: JWST, ELT

Chapter 4 : What have we learned from the populations of exoplanets. Physics of planets 1
– The complementarity of the different methods.
– The different families of planets and their populations: gas giants, ice giants, terrestrial planets, hot jupiter etc…
– Mass-radius relationship: what we understand, the problems.
– Physics of exoplanets: Hydrostatic equilibrium, equation of state for terrestrial and giant planets. Implication mass/radius relationship.
– Basic physics of the atmosphere: Hill radius, Bondi radius.
– Effect of temperature.

Chapter 5: Physics of planets 2
– Exhaust: hydrodynamic exhaust Vs. Jeans.
– Tidal effects. Basic principles.
– The stellar tide. The planetary tide.
– The famous « Q » parameter
– Dynamic evolution of the orbital elements and synchronization time.
– Examples : Case of the Earth-Moon system. Case of giant planets.

Chapter 6: Planetary formation 1
– Physics of the protoplanetary disk. Structure, size, temperature. The concept of minimum mass nebula.
– Growth of dust
– Growth of planetesimals. The  » streaming instability « .
– Peeble accretion.


Objectifs du cours : donner une vision d’ensemble de la discipline qui est très dynamique et évolue rapidement. Le cours portera sur (1) les aspects observationnels et détection (2) la physique des populations d’exoplanètes, les processus de formation et d’évolution dynamiques planétaires.

Séance 1: Des planètes aux exoplanètes : aspects historiques, premières découvertes et grands programmes d’observation. • Présentation du Système Solaire et principale caractéristiques. • Les planètes extrasolaires: premières idées pré-socratiques, Giordano Bruno • Difficulté de la détection. • Première détection d’une exoplanète autour d’un pulsar. • Découverte de la première exoplanète autour d’une étoile séquence principale (51 Pégase) • Panorama des missions spatiales: Corot, Kepler, CHEOPS, TESS, PLATO, ARIEL • Panorama des programmes au sol : WASP, TRAPPIST etc. • Présentation rapide de la population d’exoplanètes découvertes.

Séance 2: Détection par vitesses radiales (RV) & Transit 1 • Problème à deux corps. • Détection par spectroscopie, effet doppler • Effets de sélection, biais observationnels • Exemple de détection. • Présentation d’un ou deux instruments (HARPS, HIRES .) • Détection de systèmes planétaires par vitesses radiales. • Principe de la detection par transit. Complémentarité avec les vitesses radiales. • Théorie des courbes de lumière, un exemple issu de Kepler. • Biais : que peut-on détecter ?

Séance 3 : Transits 2 + Imagerie directe • Transit secondaire : Quelle information ? exemples • Détection de systèmes multiples : Les « transis time variations » (TTV) • exemple : le cas du système TRAPPIST • Spectroscopie et transits : L’effet Rossiter-McLaughlin • Difficulté de l’imagerie directe • Techniques : optique adaptative, masque coronographique, speckles. Stratégie d’observation. • Quelques exemples : HR8799, Beta Pictoris b • Biais • Le futur : JWST, ELT

Séance 4 : Qu’avons-nous appris des populations d’exoplanètes. Physique des planètes 1 • La complémentarité des différentes méthodes. • Les différentes familles de planètes et leur population : géantes de gas, géantes de glace, planètes terrestres, hot jupiter etc… • Relation Masse rayon : ce qu’on comprend, les problèmes. • Physique des exoplanètes : L’équilibre hydrostatique, l’équation d’état pour les planètes terrestres et géantes. Implication relation masse/rayon. • Physique de base de l’atmosphère : le rayon de Hill, le rayon de Bondi. • Effet de la température.

Séance 5: Physique des planètes 2 • L’échappement : échappement hydrodynamique Vs. Jeans. • Effets de marées. Principes de base. • La marée stellaire. La marée planétaire. • Le fameux paramètre « Q » • Évolution dynamique des éléments orbitaux et temps de synchronisation. • Exemples : Cas du système Terre-Lune. Cas des planètes géantes.

Séance 6 : Formation planétaire • Physique du disque protoplanétaire. Structure, taille, température. Le concept de nébuleuse de masse minimum. • Croissance des poussières • Croissance des planétésimaux. La « streaming instability » • Peeble accretion. • Des embryons aux planètes • Croissance des planètes géantes : Hot start Vs. Cold start. • Migration des planètes dans les disques. Calcul du couple de marée entre la planète et le disque. • Une histoire de la formation de notre Système Solaire. • Synthèse de populations planétaire. Les ingrédients de base. Les limitations. • Succès et échecs de la synthèse de population planétaire.