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Insolite : une planète extrasolaire sur une orbite polaire

ActualitéClassé sous :Astronomie , Effet Rossiter-McLaughlin , planète extrasolaire

La majorité des planètes décrivent une orbite située dans le plan équatorial de l'étoile autour de laquelle elles tournent, à l'instar de notre Système solaire. Règle à laquelle échappe cependant XO-3b, ainsi que le démontre une récente observation effectuée à l'observatoire de Haute-Provence.

Le télescope de 193 cm de l’Observatoire de Haute-Provence. Crédit IAP

Toutes les planètes tournant autour d'une étoile se situent approximativement dans un même plan et le Système solaire confirme cette règle. La théorie voudrait que ce plan matérialise l'anneau de gaz primitif qui a donné naissance, par condensation et agrégation, à ce cortège planétaire. Parmi les quelque 300 exoplanètes identifiées jusqu'à présent, toutes celles dont les caractéristiques orbitales sont connues avec suffisamment de précision obéissent à cette règle.

Aussi, les astronomes ont-ils été très surpris en constatant que XO-3b, une planète 12 fois plus massive que Jupiter située à 850 années-lumière dans la constellation de la Girafe, tourne sur une orbite quasi-polaire autour de son étoile décrite en un peu plus de 3 jours.

XO-3b est une planète dite "de transit", c'est-à-dire que celle-ci passe, par rapport à nous, devant le disque de son étoile lors de chaque révolution, provoquant un très léger affaiblissement lumineux. Pour cela, il est nécessaire que la Terre se trouve au niveau du plan de l'orbite.

Environ 30 planètes extrasolaires entrent dans cette catégorie, et peuvent être ainsi indirectement observées. Mais la réduction d'éclat de l'étoile durant le transit, si elle permet de déterminer le diamètre de la planète (par le taux d'obscurcissement), la vitesse orbitale (par la durée) et la distance à l'astre (par la fréquence), indique aussi l'inclinaison de l'orbite sur le plan équatorial de l'étoile.

La rotation de l'étoile détectée par l'effet Doppler

Comment ? Par observation spectroscopique, en mettant à contribution l'effet Rossiter-McLaughlin, découvert dans les années 1920. Tout comme notre Soleil, une étoile tourne sur elle-même de sorte que le spectre lumineux que nous en recevons n'est pas parfaitement homogène. En effet, si la Terre est à peu près dans le plan de l'équateur de l'étoile, alors, d'un côté, le bord se rapproche de nous tandis que le bord opposé s'éloigne, induisant un glissement de fréquence reconnaissable par effet Doppler et permettant d'en déterminer la vitesse de rotation (voir le schéma).

Principe de l’effet Rossiter-McLaughlin. Pour un observateur terrstre et si notre planète est dans le plan de l'équateur de l'étoile, un côté de l'astre nous envoie une lumière décalée vers le bleu (ici, à gauche) car cette matière lumineuse se rapproche de nous. Sur le côté opposé, le gaz de l'étoile s'éloigne de nous et la lumière est décalée vers le rouge. Une planète (ici représentée en bleu) intercepte successivement ces deux flux. Source Commons

Lorsqu'une planète transite devant le disque stellaire, elle en occulte une partie du rayonnement émis dans la région équatoriale de l'étoile, parcourant celle-ci d'un bord à l'autre. La vitesse de rotation de l'étoile ainsi que la durée du passage de la planète, déjà connus, permettent de déterminer un modèle théorique auquel doit répondre l'examen de la variation spectrale de la lumière occultée.

Pour la dizaine de planètes étudiées de cette manière, cela a toujours été le cas, sauf pour  XO-3b. Seule explication possible : le plan orbital de cette exoplanète s'écarte nettement du plan équatorial de son étoile.

Orbite de XO-3b. Crédit IAP

La découverte a été effectuée par une équipe réunissant des astronomes de l'Institut d'Astrophysique de Paris (CNRS, Université Pierre & Marie Curie) et des observatoires de Marseille-Provence, de Genève et de Grenoble, qui poursuivent actuellement un programme de caractérisation d'orbites de planètes extrasolaires au moyen de l'instrument Sophie installé sur le télescope de 193 cm de l'Observatoire de Haute-Provence. Cet instrument a été à l'origine de la première découverte de planète extrasolaire par des chercheurs de l'observatoire de Genève en 1995.

L’instrument Sophie. Crédit IAP

Le résultat de cette étude, en cours de publication dans la revue Astronomy & Astrophysics, doit cependant encore être confirmé car les dernières mesures ont été accomplies dans des conditions peu favorables, alors que l'astre se trouvait très bas sur l'horizon. D'autres observations seront nécessaires, à l'aide de Sophie mais aussi d'autres instruments dans le monde. Si les données sont confirmées, il s'agirait bien de la première planète non alignée sur le plan équatorial de son étoile, Système solaire y compris.

Les théoriciens tentent actuellement de simuler l'évènement à la source d'une disposition aussi étonnante. Elle pourrait résulter de l'interaction avec une autre planète ou une étoile d'un même système, l'une ayant expulsé l'autre de son plan orbital par effet de gravitation, ou à la suite d'une collision. De quoi encore élargir le champ de recherches dans ce domaine...