M2 Planetary science and space exploration

Les séminaristes aborderont des thèmes parmi:

 1 – Remarques historiques
 2 – La place du système solaire dans l’Univers
 3 – Définition d’une planète
 4 – Formation du et des systèmes planétaires. Scénario et questions ouvertes
 5 – Mécanismes d’évolution
 6 – Dynamique : marées, résonances, chaos
 7 – Structure interne et surfaces
 8 – Atmosphères et magnétosphères
 9 – Petits corps, poussières et milieu interplanétaire
 10 – « Planètes » extrasolaires
 11 – Grands problèmes d’actualité et missions spatiales de la décennie

Il s’agira, dans ce cours introductif sous forme de séminaire, de faire ressortir les aspects historiques, les points importants et les points secondaires, les domaines d’interface avec les autres disciplines, les problèmes en suspens, et ainsi de donner une vue d’ensemble de la planétologie et de ses grands enjeux actuels.

Niveau L3/M1 en physique.

1 - Électromagnétisme, interactions rayonnement-matière
- Processus physiques : absorption, diffusion, émission thermique ;
 Bases de spectroscopie et de radiométrie.

2 - Transfert de rayonnement
- Solutions exactes et approchées ;
- Au sein des atmosphères (gaz, aérosols, nuages) ;
- Au sein des milieux compacts (régolites, surfaces).

3 - Applications à la télédétection des atmosphères et des surfaces planétaires
 Sondages en rayonnement thermique ou réfléchi, sondages par occultation, radiométrie micro-onde, radars imageurs et sondeurs, lidars ;
 Tour d’horizon des applications dans le système solaire.

Le transfert radiatif décrit l’interaction du rayonnement électromagnétique et de la matière. Il est à la base des méthodes de télédétection, actives et passives. Le cours portera, entre autres, sur le sondage spectroscopique des atmosphères planétaires et l'observation radiométrique et radar des surfaces du système solaire.

CM/TD/TP informatiques

M1 Physique, Géophysique

1 – Introduction générale
 Structure Interne comparée des planètes telluriques

2 – Géodésie planétaire
 Rotation et trajectoires des planètes
 Marées et déformations
 Techniques d’observations et résultats

3 – Gravimétrie planétaire
 Champ de gravité : théorie, observation et instrumentation.
 Interprétations des signaux gravimétriques et contraintes sur les lithosphères planétaires

4 – Sismologie Planétaire
 Introduction à la sismologie, équations fondamentales, conditions aux limites
 Sismologie des modes propres : applications aux planètes telluriques et aux planètes géantes.
 Rays sismiques : application à la Terre et à la Lune

5 – Physique des planètes telluriques et géantes
 Structure interne comparée des planètes géantes
 Manteau et lithosphères : effets de la pression, des températures et de la minéralogie, équation d’états
 Structure Interne des planètes géantes, Equation d’états des planètes géantes

6 – Géophysique des petits corps et des subsurfaces
 Structure et cohésion des petits corps, détermination de leur structure interne
 Structure des subsurfaces planétaires et techniques de sondage

L’ objectif de ce module est de proposer une introduction à la géophysique planétaire. Les outils de la géophysique (sismologie, magnétisme, gravimétrie, géodésie) sont maintenant de plus en plus employés dans l’exploration planétaire. Ces investigations permettent en général d’obtenir des informations précieuses sur la structure interne des planètes et sur leur dynamique passée et éventuellement présent.

Physique/Géologie

1 – Revue des techniques et des limitations instrumentales liées aux contraintes spatiales

2 – Caractérisation minéralogique et chimique des surfaces planétaires
 Spectrométrie optique & infrarouge
 Spectrométrie gamma & neutrons
 Sondages radar

3 – Photométrie planétaire. Transfert de rayonnement dans les milieux compacts

4 – Exemples d’analyses spectrales, fusion de données de télédétection et complémentarité in situ/télédétection

Le but de ce module est d’apporter une connaissance de l’étude des surfaces planétaires déduites d’observations réalisées à partir de plateformes spatiales orbitales et in situ. Les contraintes liées au spatiale (ressources, opérations, etc) seront abordées et on passera en revue les différentes techniques qui permettent de contraindre la caractérisation minéralogique, chimique et élémentaire des surfaces.

Le cours fournira les principaux concepts concernant le transfert de rayonnement dans les milieux compacts permettant l’interprétation des données de télédétection et in situ. La présentation des techniques d’observation embarquées ou in-situ sera illustrée par des exemples d’instruments volant à bord de missions spatiales en cours (notamment missions martiennes et petits corps), avec des applications possibles à la télédétection terrestre notamment en ce qui concerne la technique du radar. L’accent sera mis sur la physique des processus en jeu dans la technique de mesure utilisée, sur la notion de chaîne d’un projet – concept instrumental – développement instrumental – étalonnage – opération – observations – analyses de données en mettant en avant la complémentarités entre mesures in-situ et par télédétection, et enfin sur l’analyse conjointe de données d’imagerie et l’utilisation de bases de données de références (observationnelles ou de laboratoire).

physique et chimie de M1

1 – Physique des astéroïdes
 Définitions, caractéristiques, origine, localisation et conditions d’observation
 Taille, masse, densité, spins et axes de rotation. Moment d’inertie
 Evolution non gravitationnelle : effets thermiques sur les spins et les orbites
 Composition. Minéralogie. Taxonomie. Liens avec les météorites
 Géologie à partir des données spatiales (Eros, Gaspra…)
 Modélisation des collisions, évolution collisionnelle, familles d’astéroïdes et satellites

2 – Physique cométaire
 Définitions, caractéristiques, origine, localisation et conditions d’observation
 Comètes : Forces non gravitationnelles, fragmentation, effets de marée. Bilan d’énergie en surface et modélisation dynamique des fragmentations
 Comètes : Distribution spatiale des molécules-mères, abondances élémentaires, rapports isotopiques (D/H dans l’eau, 12C/13C), relations noyaux cométaires-astéroïdes
 Nuage interplanétaire : Effet Poynting-Robertson, évaporation et évolution. Structure, contraintes pour les observations hors système solaire
 Particules solides interplanétaires : Collecte et analyse, sources astéroïdales, cométaires et interstellaires

3 – Les objets transneptuniens
 Définitions, caractéristiques, origine, localisation et techniques d’observation
 Origine et évolution de la population, Problème de la masse manquante

 Dynamique et résonances. Modèle de Nice et migration planétaire
 Composition, spectroscopie des glaces, modèle thermique
 Processus d’irradiation des glaces (rayons cosmiques, UV…), altération des surfaces
 Comparaison avec les populations associées : comètes, centaures, satellites irréguliers.
 Pluton et Charon.

Ce module apporte les connaissances de base sur les propriétés physiques et chimiques des petits corps du Système Solaire : météorites, astéroïdes et comètes. L’objectif est de montrer comment l’étude de ces corps primordiaux apporte des contraintes essentielles sur la formation du système solaire. L’accent est porté sur la nature et la compréhension des processus physiques de formation et d’évolution : collisions, irradiation, photodissociation, photo-ionisation, …. Ce module explicitera également les liens entre les différentes populations de petits corps et leurs apport et interaction avec les planètes.

Cours de Physique classique.

Ce module est composé de quatre grandes parties :

1. Introduction générale (1 cours)
2. Détection des exoplanètes, statistiques, comparaisons (environ 4 cours)
3. Origine et formation des exoplanètes, migration orbitale (environ 2 cours)
4. Intérieur, habitabilité et climat (2 cours)

L'objectif de ce module est d'introduire les concepts associés aux techniques de mesure ainsi qu'aux modèles conduisant aux connaissances actuelles sur les exoplanètes et la formation planétaire.

M1 en Physique/Chimie ou en Géoscience

1 – Physiographie générale des corps planétaires
 Panorama des missions spatiales
 La Terre et la Lune
 Les planètes telluriques
 Les satellites de glace
 Evolution comparée des corps

2 – Topographie des planètes
 Géoïde, ellipsoïde, altitude et cartographie
 Mesure de la topographie (radar, laser, stéréoscopie, photo-clinométrie)
 Hypsométrie

3 – Géodynamique et évolution thermique des planètes
 Isostasie et épaisseur crustale
 Anomalie de gravitée
 Evolution thermique comparée des planètes telluriques

4 – Volcanisme
 Les contextes géodynamiques du volcanisme
 Volcanisme comparé des planètes telluriques (incluant Io)

5- Tectonique des corps telluriques
 Déformations compressives et extensives
 Tectonique comparée de la Terre, Venus et Mars
 Cas de Valles Marineris (Mars)

6 – Les satellites de glace
 Processus des surfaces glacées (tectonique, cryovolcanisme)
 Les satellites galiléens, de Saturne, Uranus et de Neptune

7 – Cratères d’impact et méthodes géologiques de datation des surfaces planétaires
 La formation des cratères d’impact
 Les cratères d’impact sur Terre
 Utilisation des cratères comme marqueurs géologiques
 Utilisation des cratères comme marqueurs chronologiques
 Cartographie géologique sur les planètes

L’objectif de ce cours est d’apporter une connaissance générale de géologie planétaire comparée à la Terre en abordant les principaux mécanismes qui construisent et modèlent la surface des planètes, comme le volcanisme, la tectonique et les cratères d’impact. Le cours abordera aussi des méthodes fondamentales pour la géologie planétaire comme la datation par les cratères d’impact. Le module prend en compte divers aspects des sciences de la Terre (géologie, géophysique, géodynamique) et des aspects plus spécifiques aux planètes (cratères d’impact). A chaque séance, les étudiants seront amenés à lire et discuter un article scientifique traitant du thème abordé.

Structure et minéralogie de la Terre interne (modèle PREM)
Notions de base en géochimie (notions de coefficients de partage, affinité géochimique des éléments)

Ce module aborde la composition chimique et minéralogique des intérieurs planétaires : Terre et planètes telluriques, planètes géantes, exoplanètes. L’évolution des matériaux planétaires et celle de leur propriétés physiques et chimiques dont relève la dynamique interne des planètes est présentée à partir de l’état de nos connaissances issues d’expériences en conditions extrêmes de pression et de température, conditions qui règnent dans les intérieurs planétaires.

Dynamique des fluides et chimie générale

Cours 1 – Flux radiatifs et équilibres — Notions abordées : environnements planétaires, équilibre radiatif, effet de serre, rétro-actions, équilibre radiatif-convectif, troposphère, stratosphère, mésosphère.

Cours 2 – Notions de base de dynamique atmosphérique — Notions abordées : équilibre hydrostatique, équation hypsométrique, stabilité atmosphérique, circulation générale, cellule de Hadley, conservation du moment cinétique, vent gradient, variations saisonnières.

Cours 3 – Dynamique atmosphérique : Equilibres et instabilités — Notions abordées : équations primitives du fluide géophysique, accélération d’entraînement et de Coriolis, nombre de Rossby, équilibres géostrophique et cyclostrophique, vent thermique, modélisation numérique, ondes et instabilités, superrotation.

Ce module est destiné à introduire les notions de base relatives à la physique, la chimie et la microphysique des atmosphères des planètes telluriques (Mars, Vénus) et de Titan, dans une approche de planétologie comparative (comparaison avec la Terre). Il met l’appui sur des mécanismes fondamentaux, tels que l’effet de serre, la dynamique atmosphérique, ou encore la physique des nuages, en les illustrant par des exemples choisis parmi les différentes planètes du système solaire. L’accent sera mis également sur les couplages complexes entre dynamique, chimie et aérosols.

Niveau L3/M1 en physique. Idéalement suivi du cours UE1 au premier semestre (Transfert Radiatif).

1 – Le système climatique de la planète Mars 
 Dynamique atmosphérique
 Les cycle des poussières, cycle de l’eau et des nuages, cycle du CO2 
 Les paléoclimats martiens

2- Interaction climat-géologie sur Mars
Rappels de géomorphologie
 La cryosphère martienne à travers le temps. Vallées de débâcle, glaciers, ravines. 
 L’érosion fluviale sur Mars primitif (et sur Titan): géomorphologie, minéralogie.

3- Pluton : une petite Mars gelée

4- Le climat de Vénus
Effet de serre, dynamique atmosphérique et superrotation
 Le cycle du souffre et les nuages

5- Le climat de Titan, lune de Saturne
Dynamique atmosphérique et superrotation
 Le cycle des hydrocarbures: brumes, nuages, et lacs

6- Les atmosphères des planètes géantes : Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune
Structures thermique, nuages et chimie atmosphérique
 Dynamiques atmosphérique

Ce module interdisciplinaire (climatologie/géologie) a pour objectif de présenter les environnements et les atmosphères sur différents mondes du système solaire et de décrire les processus physiques qui contrôlent les climats et comment ils façonnent les surfaces planétaires . Cela permet d’illustrer des concepts théoriques par des exemple observés, tout en restant au plus près des problèmes de recherche actuels et des débats en cours.

Les pré-requis sont des notions physique de base (électromagnétisme, mécanique).

1 – Introduction à la physique des plasmas : L. Hadid (Sorbonne Universités, LPP, Jussieu)

• Qu’est-ce qu’un plasma et quelles équations physiques le gouvernent ?
• Échelles caractéristiques dans un plasma,
• Comment atteint-on l’état plasma ?
• Les observations des plasmas
• La dynamique des particules individuelles dans un champ magnétique
• La MHD : application à l’expansion du vent solaire
• La description d’un plasma par plusieurs fluides : application à l’ionosphère
• Interaction entre le vent solaire et les objets du Système solaire

2 – Obstacles non magnétisés et faiblement magnétisés : J.-Y. Chaufray (LATMOS, Guyancourt/Jussieu)

• Haute atmosphère planétaire : Thermosphere – Ionosphere – Exosphere
• Atmosphère et ionosphère cométaire
• Interaction du vent solaire avec les objets conducteurs : Magnétosphères induites
• Exosphères des objets sans atmosphère : 
• Interaction du vent solaire avec les objets sans atmosphères : Lune et astéroides

3 – Les planètes magnétisées : de Mercure aux planètes géantes : F. Pantellini (LESIA, Observatoire de Paris, Meudon)

• Généralités sur les magnétosphères planétaires dans le contexte héliosphérique
• Origine, structure et description du champ magnétique planétaire
• Structure, dimensions et dynamique des magnétosphères. Influence du vent solaire.
• Circulation du plasma et courants électriques dans une magnétosphère. Effets dus à la rotation.
• Dynamique des particules chargées dans une magnétosphère.
• Ceintures de radiation et émissions aurorales

Ce module est destiné à présenter les structures et les mécanismes physiques essentiels des plasmas autour des différents objets du système solaire (planètes, satellites planétaires et comètes). L’accent est mis sur les interactions entre d’une part la composante ionisée de l’atmosphère et d’autre part l’atmosphère neutre, le corps solide, le champ magnétique intrinsèque de l’objet (quand il existe), et le couplage avec le vent solaire.

• Kivelson, M. G. & C. T. Russell, eds., Introduction to Space Physics, Cambridge University Press, 1995 : Historique, Soleil, Vent Solaire, Ionosphères, Magnétosphères etc.
• Encrenaz, T. et al., Le système solaire (3ème édition), Savoirs Actuels, EDP-Sciences / CNRS-Éditions, Paris, 2003 : introduction aux ionosphères et magnétosphères (chapitres 5, 8, 10).
• D. Gurnett & A. Bhattacharjee, Introduction to plasma physics, Cambridge Univ. Press, 2005 : rappels utiles de physique des plasmas.
• G. Belmont, L. Rezeau, C. Riconda, A. Zaslavsky, Introduction à la physique des plasmas, ISTE, 2018. e-book.

M1 Géoscience, Physique ou Chimie

Des progrès immenses ont été accomplis récemment, en particulier en raison de la mise en regard des observations astronomiques des régions de formation d’étoiles (Orion, Taureau…) et des données de laboratoire obtenues sur les météorites. Nous traiterons plus particulièrement les sujets ci-dessous :

• Généralités sur les météorites
• Histoire des météorites
• Éléments de minéralogie extraterrestre
• Chondrites et disques protoplanétaires
• Différenciation planétaire
• Horloges radioactives et chronologie

Ce cours a pour but de présenter les dernières avancées dans le domaine de la cosmochimie, c’est-à-dire l’étude des météorites. Les météorites sont des roches tombées du ciel, provenant des petits corps (astéroïdes et comètes) mais aussi de la Lune et de Mars. Leur étude au laboratoire permet de comprendre la formation et l’évolution de notre système solaire.

M1 en planétologie, sciences de l’environnement, physique, chimie, géologie ou biologie

1. Conditions d’apparition de la vie : Hervé Cottin (LISA/UPEC)
2. Zone habitable et planète habitable : François Forget (LMD/CNRS)
3. Terre primitive et traces de vie : Vincent Busigny (IPGP/UPC) / Karim Benzerara (IMPMC/CNRS)
4. Limites du vivant : Adrienne Kish (MCAM/MNHN)
5. Analogues planétaires pour l’exobiologie : Maeva Millan (LATMOS, CNRS)
6. Stratégies de recherche de la vie extraterrestre (Système solaire / Exoplanètes) : Fabien Stalport (LISA/UPC) / Benjamin Charney (LESIA/CNRS)

L’objectif de ce module est de donner des bases interdisciplinaires en exobiologie pour la planétologie.

L’exobiologie (ou astrobiologie) a pour objet l’étude de la vie dans l’univers. Plus précisément, elle inclut l’étude des conditions et des processus qui ont permis l’émergence du vivant sur notre planète, et ont pu ou pourraient le permettre ailleurs, l’étude de l’évolution de la matière organique vers des structures complexes dans l’univers, et les recherches qui concernent la distribution de la vie sous toutes les formes qu’elle pourrait revêtir, et son évolution.

Il s’agit d’un large domaine interdisciplinaire, abordant l’étude des origines et de l’évolution de la vie sur Terre, sa dépendance des conditions environnementales et à l’habitabilité de la planète, la recherche de traces de vie sur la Terre primitive, ailleurs dans le système solaire et au-delà, dans les exoplanètes.

Cours magistraux avec évaluation finale. L’évaluation prend la forme d’un entretien à l’oral avec un ou plusieurs membres de l’équipe pédagogique sur un sujet attribué au début de l’épreuve d’examen.

Exobiologie

Cottin H., Gargaud M., 2025, Le grand livre de l’exobiologie, Belin Education

Gilmour, I., Sephton, M.A., 2018. An introduction to astrobiology, 3rd Edition. Cambridge University Press.

Horneck, G., Rettberg, P., 2007. Complete Course in Astrobiology. Wiley-VCH.

Pascal, R., Martin, H., Gargaud, M., López-García, P., Montmerle, T., 2009. Le soleil, la terre... la vie : La quête des origines. Belin.

pré-requis de physique, sciences de la Terre, planétologie. expérience en informatique attendue, mais non nécessaire

Le module s’organise en trois grandes étapes 1. Utilisation d’un langage de programmation (type Fortran ou C) et schémas numériques 2. Utilisation d’un langage interprété (type Python ou IDL ou Matlab) pour la représentation graphique, le traitement de données (algorithme de minimisation) et le calcul scientifique (Monte-Carlo et schémas statistiques). 3. Prise en main d’un Système d’Information Géographique

Cette unité d’enseignement consiste en un stage intensif d’une semaine début mars, avant le stage en laboratoire. Il s’agit de donner aux étudiants une maîtrise pratique des outils informatiques couramment employés en planétologie. La charge horaire en terme de cours magistral est très modérée (2 heures par journée au maximum) afin de consacrer l’essentiel du temps de l’UE à des travaux pratiques sur machine. Les travaux pratiques sont uniquement tirés de situations courantes de recherche en planétologie. La prise en main rapide des outils, l’autonomie et l’initiative sont encouragées dans le travail des étudiants. Le module est évalué sous la forme d’un rendu de projet écrit et de codes à la fin de la semaine.

Niveau M1 en Geosciences, Physique, Chimie, Ingénierie.

Il s’agit ainsi de travailler avec des experts, ingénieurs, chercheurs et enseignants de l’équipe pédagogique impliqués dans des missions spatiales scientifiques. Les objectifs du module sont :
- d’apprendre à concevoir et à rédiger des propositions de projets scientifiques à visée d’exploration spatiale, en réponse aux appels d’offres étudiants diffusés par les grands organismes du spatial (CNES, ESA, NASA..)
- d’apprendre à travailler en équipe et en autonomie sur une période longue (4-6 mois)
- de développer des capacités d’organisation de travail propres au monde de la recherche (autonomie, innovation technique & scientifique des propositions instrumentales, outils de communication, multi-tasking, lien avec des équipes d’ingénieurs ou des experts scientifiques distants géographiquement, etc)

Ce module est basé sur plusieurs séances introductives, des séances de tutorat collectif, du travail personnel et des rencontres à organiser avec différents experts pouvant aider à la réalisation du projet.

UE d’application Projet inspirée de la « vraie vie » d’un chercheur Planétologue et du processus de réponse en Phase 0 (phase la plus amont) à un appel d’offres de Mission Spatiale d’Exploration du Système Solaire. Ces travaux sont réalisés de manière conjointe entre des équipes scientifiques et techniques dans les Laboratoires de Recherche en Planétologie.

Cette UE est réalisée en partenariat avec des élèves ingénieurs de l’ESTACA (Ecole d’ingénieurs en Aérospatial), SUPMECA et le Master OSAE, et met en jeu des équipes composées d’étudiants provenant des deux formations qui travaillent en symbiose durant toute l’année.

Notions générales de physique et physico-chimie.

1 – Introduction générale :
 Place de l’analyse in situ en planétologie
 Spécificités analytiques et implications
 Historique de l’analyse in situ et exemples actuels

2 – Systèmes de prélèvement et de préparation d’échantillons gazeux et solides

3 – Systèmes d’analyse des environnements neutres et de la matière solide :
 Spectrométrie de masse
 Chromatographie en phase gazeuse
 Méthodes électromagnétiques : spectroscopie d’absorption par diode laser, sondage électromagnétique, sondage radar

4 – Mesure in situ des milieux ionisés

5 – Séminaires et visites de laboratoires

Ce module est consacré aux instruments de mesure modernes mis en œuvre sur les plateformes en orbite autour des planètes, ou déposées à leur surface.

Il met l’accent sur les mesures de composition chimique et isotopique (atmosphères neutres, milieux ionisées, échantillons solides prélevés), ainsi que sur le sondage électromagnétique du proche sous-sol des corps solides du système solaire, à partir d’instrumentation spatiale développée en Ile-de-France. Il est illustré par des exemples d’instruments volant, ou en passe de voler, à bord de missions spatiales passées (Cassini-Huygens pour la surface de Titan), en cours (Rosetta vers la comète Churyumov-Gerasimenko, Mars Science Laboratory vers la surface de Mars, Phobos-Grunt vers la surface de Phobos), et à venir (EJSM vers les système de Saturne, Exomars vers la surface de Mars).

L’accent sera mis sur la physique et/ou la chimie des processus en jeu dans la technique de mesure utilisée, sur la notion de chaîne de prélèvement- préparation- analyse- détection, et sur les complémentarités entre mesures in-situ et par télédétection. L’enseignement repose essentiellement sur des cours magistraux associés à des travaux dirigés. Une application pratique sera menée sur une des techniques enseignées (chromatographie en phase gazeuse). Les cours ayant lieu dans différents lieux, ils sont également l’occasion de visites de laboratoire impliqués dans les développements instrumentaux pour l’analyse in situ.

Aucun. Les étudiant·es ayant une expérience d'astronome-amateur sont réparti·es dans les différents groupes pour partager leur savoir-faire avec leurs camarades novices.

Conduite en autonomie d'observations astronomiques au moyen d'un télescope professionnel situé à l'Observatoire de Haute-Provence : préparation des sessions, acquisition des données, compte-rendu d'observation

Les étudiant·es, répartis en groupes de 2 ou 3, préparent en amont les observations : sélection des cibles selon leur intérêt et leur visibilité, détermination des filtres et des temps de pose. Durant la nuit (0h-8h), ils·elles conduisent leurs observations en autonomie sous la surveillance de l'encadrant. L'évaluation est effectuée par la remise du compte-rendu d'observation dans les 15 jours.

Ce module consiste en un stage de recherche dans un laboratoire français ou à l’étranger dans le but d'acquérir les connaissances pratiques et organisationnelles d'un projet de recherche ou d'un projet technologique.

Stage de Mars à Juin au minimum avec soutenance en Juin. Possibilité d'étendre le stage en Juillet et Août.