Sur cette image figure l'instrument Sphère, peu après qu'il ait été installé sur le troisième télescope de 8 m du VLT de l'Eso. L'instrument est cette boîte noire située sur la plateforme latérale du télescope. © ESO, J. Girard

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Sphere découvre sa première exoplanète en la photographiant

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L'instrument Sphere équipe le VLT de l'ESO depuis 2014 avec le difficile objectif d'une imagerie directe d'exoplanètes. Après un faux départ, c'est désormais chose faite. Cette première image pourrait être simplement intéressante. Elle est surprenante : HIP65426b et son étoile hôte ne se comportent pas comme le prévoient les modèles cosmogoniques classiques.

  • Très peu d'exoplanètes ont encore été imagées directement. La petite dernière s'appelle HIP65426b, vue dans l'infrarouge grâce au regard perçant de l'instrument Sphere installé derrière le télescope géant VLT.
  • La jeune étoile autour de laquelle elle boucle son orbite, trois fois plus grande que celle de Neptune, est étrange car elle tourne sur elle-même beaucoup trop vite.
  • Seconde surprise : l'absence de disque protoplanétaire autour de cette étoile âgée de seulement 14 millions d'années et deux fois plus massive que le Soleil.

Esocast : comment les exoplanètes sont-elles détectées ?  Les découvertes d'exoplanètes, qui tournent autour d'autres étoiles, se multiplient. Les scientifiques de l’Eso (European southern observatory ou Observatoire européen austral) utilisent diverses techniques afin de les mettre en évidence. Les explications dans cet épisode d’Esocast. 

Voilà plus de 20 ans qu'ont été découvertes des exoplanètes autour d'étoiles de la séquence principale, celle du Soleil. Les planétologues avaient alors été surpris en observant surtout des « Jupiters chauds », non prévus par les modèles de l'époque qui ne prenaient pas en compte correctement les mécanismes à l'origine de la naissance de ces géantes gazeuses. Ce n'est plus le cas aujourd'hui, même si nous sommes encore loin d'une bonne compréhension de la formation des exoplanètes. Même dans notre propre Système solaire, que nous connaissons bien, des énigmes demeurent et nous ne somme pas à l'abri de surprises.

Pour progresser dans la connaissance de la genèse des planètes d'ici et d'ailleurs, les astronomes développent de nouveaux instruments et, notamment, observant les plus jeunes étoiles et leurs disques protoplanétaires. L'un d'eux a été installé en 2014 sur le VLT (Très grand télescope) de l'ESO, au Chili. Il s'appelle Sphere (pour Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet REsearch) et a déjà permis des observations dans le domaine infrarouge, comme celle du disque de poussière autour de l'étoile HR 4796A dans la constellation australe du Centaure. Cependant, il n'avait encore jamais atteint son objectif principal : l'imagerie directe d’une exoplanète.

Cette image obtenue dans le domaine infrarouge proche montre l'exoplanète qui orbite autour de l'étoile HIP65426 dans l'association stellaire du Scorpion-Centaure. La lumière de l'étoile centrale a été masquée par un coronographe. L'exoplanète découverte a une masse comprise entre 6 et 12 fois celle de Jupiter et se situe à une distance égale à 3 fois celle de Neptune autour du Soleil (dont l'orbite est indiquée en comparaison par le cercle blanc). © ESO, Sphere Consortium, G. Chauvin et al.
Voir depuis Paris une bougie à Marseille.

Après une première observation (HD 131399Ab) qui a depuis été remise en cause, une équipe internationale de chercheurs semble être enfin parvenue au but en annonçant par un article déposé sur arXiv la découverte par imagerie directe de HIP65426b. C'est une géante gazeuse 6 à 12 fois plus massive que Jupiter et en orbite à environ 385 années-lumière du Système solaire autour d'une étoile de type A2V située dans la célèbre association d'étoiles du Scorpion-Centaure.

Jusque-là, rien de très étonnant, bien que la performance de Sphere soit particulièrement impressionnante. Rappelons que pour réussir une imagerie directe d'une exoplanète, il faut atteindre un haut niveau de résolution afin de séparer les objets observés et surtout isoler en quelque sorte la lumière propre de l'exoplanète, d'ordinaire noyée dans celle de son étoile. Dans le cas présent, cela revient à être capable de détecter, depuis Paris, la lumière d'une bougie à 50 cm d'un phare situé à Marseille. L'exploit serait impossible sans l'optique adaptative, en l'occurrence le pilotage par ordinateur des déformations de la surface d'un miroir en fonction des données collectées à l'aide d'un faisceau laser indiquant l'état de la turbulence de l'atmosphère au-dessus de l'instrument.

Une étoile qui tourne trop vite et un disque protoplanétaire manquant

Ce qui intrigue les planétologues est que HIP65426 est une étoile de forte taille et jeune, âgée d'environ 14 millions d'années. Or, comme il existe une relation entre la masse d'une étoile et celle du disque protoplanétaire qui l'entoure, ce disque devrait encore contenir des traces notables de gaz. Celui-ci, en effet, ne doit pas avoir eu assez de temps pour se dissiper et laisser la place à un disque de débris et d'exoplanètes. Pourtant, Sphere se montre, pour le moment du moins, incapable d'en mettre en évidence.

Autre anomalie, HIP65426 tourne 150 fois plus vite sur elle-même que le Soleil, ce qui ne cadre pas non plus avec les modèles cosmogoniques standards et actuels de la genèse des systèmes des étoiles avec cortège planétaire. Ce genre de situation est connu avec des étoiles binaires dont l'une a absorbé de la matière en provenance de l'autre sous l'effet des forces de marée (ce scénario explique par exemple l'existence des pulsars millisecondes).

Décomposition spectrale de la lumière de l'exoplanète HIP65426b dans le domaine infrarouge proche montrant la présence d'eau dans son atmosphère et probablement de nuages de couleur rougeâtre similaires à ceux observés sur Jupiter. © ESO, Sphere Consortium, G. Chauvin et al.

Les chercheurs ne sont pas désarçonnés pour autant et disposent déjà de deux pistes. On a de plus en plus de raisons de penser que les étoiles naissent, très majoritairement au moins, sous forme de binaires et qu'elles se séparent parfois ensuite, en quelques millions d'années tout au plus. HIP65426b serait en fait une étoile ratée, pas encore une naine brune cependant, dont le développement aurait été enrayé par la croissance de HIP65426.

Autre scénario, HIP65426b se serait formée bien plus près de HIP65426 ainsi qu'au moins un autre corps céleste très massif. Sous l'effet du jeu des perturbations gravitationnelles, HIP65426b aurait été éjectée en direction de son orbite actuelle alors que l'autre corps céleste aurait été avalé par son étoile, augmentant du même coup considérablement sa vitesse de rotation à cause de la conservation du moment cinétique.

En tout état de cause, voilà du grain à moudre supplémentaire pour les mécaniciens et les hydrodynamiciens célestes férus de cosmogonie planétaire.

Pour en savoir plus

Diaporama : les premières images de Sphere, le chasseur d'exoplanètes

Communiqué du CNRS publié le 26/06/2014

Récemment installé sur le Très Grand Télescope (VLT) de l'observatoire du Cerro Paranal, l'instrument européen Sphere vient d'obtenir sa « première lumière ». Ce chasseur d'exoplanètes sans équivalent permet d'observer des systèmes planétaires par imagerie directe, du moins jusqu'à 300 années-lumière. Avec sa résolution excellente et en occultant la lumière de l'étoile, il pourra donc fournir de vraies images de planètes lointaines, ce qui reste exceptionnel.

Lors de ses premiers tests sur le ciel, Sphere (Spectro-Polarimètre à Haut contraste dédié à la REcherche d'Exoplanètes) a pu valider ses différents modes d'observation et a réalisé des clichés sans précédent, témoins de sa formidable capacité à supprimer l'éclat de l'étoile brillante située au centre de l'image. Sous la houlette du responsable du projet Jean-Luc Beuzit, directeur de recherche CNRS à l'Ipag, les chercheurs ont notamment pu obtenir l'une des meilleures images acquises à ce jour de l'anneau de poussières autour de l'étoile HR 4796 A ainsi que des clichés à très haute résolution de Titan et de premiers exemples de détection de compagnons faibles autour d'étoiles proches. Ces toutes premières images permettent d'ores et déjà de valider les performances de l'instrument.

L'existence de près de 1.800 exoplanètes en orbite autour d'étoiles autres que le Soleil a déjà été confirmée. La plupart d'entre elles ont été découvertes en étudiant les variations de luminosité générées par le passage de planètes devant leurs étoiles hôtes (la méthode des transits) et grâce à l'observation des mouvements de l'étoile résultant de l'existence de planètes en orbite (la méthode des vitesses radiales). À ce jour, seules quelques planètes ont été détectées par imagerie directe de l'émission de la planète à côté de celle de son étoile hôte.

Trois images de Titan, dans le proche infrarouge (à gauche), dans le visible en lumière naturelle (au milieu) et dans le visible en lumière polarisée (à droite), obtenues depuis la Terre par le VLT équipé de l'instrument Sphere. Comparables à ce que l'on peut obtenir depuis l'espace, ces images démontrent l'efficacité de l'optique adaptative qui supprime les effets de la turbulence atmosphérique. © ESO, Consortium Sphere

Débusquer les exoplanètes par imagerie directe

Sphere a pour principal objectif de détecter et de caractériser, au moyen de l'imagerie directe, des exoplanètes géantes en orbite autour d'étoiles proches du système solaire. Un défi de taille puisque de telles planètes se situent à proximité immédiate de leurs étoiles-hôtes et sont caractérisées par une luminosité très faible. L'instrument sera capable de détecter le signal d'une planète extrasolaire jusqu'à un million de fois plus faible que celui de son étoile-hôte, soit un gain de plus d'un ordre de grandeur par rapport à la génération précédente.

Sur une image normale, pourtant acquise dans les meilleures conditions, la lumière en provenance de l'étoile masque totalement la faible lueur issue de la planète. Toute la conception de Sphere a donc reposé sur la nécessité d'obtenir le contraste le plus élevé possible dans l'environnement immédiat de l'étoile. Pour faire une analogie, grâce à Sphere, on pourrait observer, en étant à Paris, la lumière d'une bougie à 50 cm d'un phare situé à Marseille.

Prouesse technologique

Associant un défi technologique à un défi scientifique, Sphere est l'un des instruments d'observation astronomique depuis le sol le plus complexe jamais réalisé. Il est notamment composé d'un système d'optique adaptative extrême utilisant un miroir déformable comprenant plus de 1.300 actionneurs qui corrigent plus de 1.200 fois par seconde, à une échelle nanométrique, les effets de la turbulence atmosphérique. Sphere comprend aussi des masques coronographiques pour bloquer la lumière de l'étoile centrale et trois modules de détection de la lumière mettant en œuvre des techniques d'imagerie, de spectroscopie et de polarimétrie différentielles, dans le visible et l'infrarouge proche. Le haut degré de performance de Sphere s'explique par le développement, en amont, de ces nouvelles technologies, notamment en optique adaptative mais également en matière de détecteurs spécifiques et de composants coronographiques.

L'instrument Sphere représente une aventure de plus de douze ans pour l'ensemble des laboratoires et organismes impliqués. Ce sont près de 120 chercheurs, ingénieurs et techniciens qui ont participé à divers niveaux au projet. Développé par un consortium européen piloté par l'Institut de planétologie et astrophysique de Grenoble (Ipag, CNRS, université Joseph Fourier) avec l'Onera, le Laboratoire d'astrophysique de Marseille (CNRS, AMU), le Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/université Paris Diderot), le laboratoire Lagrange (Observatoire de la Côte d'Azur, CNRS, université Nice-Sophia Antipolis), plusieurs instituts allemands, italiens, suisses et néerlandais, tous en étroite collaboration avec l'ESO (Observatoire européen austral), Sphere sera mis à disposition de la communauté des astronomes à partir de 2015. Le budget matériel s'élève, quant à lui, à dix millions d'euros, financés par l'ESO, le programme européen Opticon et les agences nationales comme le CNRS lequel a participé à hauteur d'un million d'euros.