Cela fait 24 ans environ que nous sommes entrés dans le monde des exoplanètes en orbite autour d'une étoile de la séquence principale. Cela est rarement rappelé mais avant la découverte retentissante de Michel Mayor et Didier Queloz (de l'observatoire de Genève) annoncée le 6 octobre 1995, il y avait eu, en septembre 1990, celle d'Aleksander Wolszczan et Dale Frail (du radiotélescope d'Areciboradiotélescope d'Arecibo) qui avait mis en évidence plusieurs planètes autour du pulsar PSR B1257+12.

Toujours est-il que la percée de Mayor et Queloz montrait pour la première fois qu'une étoile de la séquence principale autre que le Soleil pouvait former des planètes, ce qui ouvrait donc une nouvelle ère dans le monde de l'exobiologieexobiologie. En deux décennies, il est maintenant clair que ce que l'on pouvait craindre pour le programme Seti, à savoir une formation très rare des exoplanètes potentiellement habitables, n'était pas à craindre. Bien au contraire, ces planètes semblent être presque une conséquence obligatoire de la naissance des étoiles et elles sont très répandues autour des naines rougesnaines rouges.

Toutefois, en 1995, ce n'est pas une exoplanète rocheuse qui a été découverte. L'objet révélé grâce à la méthode des vitesses radialesméthode des vitesses radiales autour de l'étoile 51 Pegasi, dans la constellation de Pégaseconstellation de Pégase à environ 40 années-lumièreannées-lumière de la Terre, était ce que l'on appelle un ou une JupiterJupiter chaud(e). Les exoplanètes suivantes furent souvent du même genre pendant quelques années, à savoir des objets ressemblant à Jupiter mais bien plus proches de leurs étoiles hôtes que ne l'est MercureMercure du Soleil, en comparaison des tailles des orbites.

Des Jupiters chaudes aux exolunes

L'étude des Jupiters chaudesJupiters chaudes est devenue depuis presque une branche en soi des recherches sur les exoplanètes, mais on ne saurait bien sûr pas la séparer de l'étude des exoplanètes gazeuses en général. L'une des raisons est que l'on a de bonnes raisons de penser que tout comme dans le cas de Jupiter dans le Système solaireSystème solaire, ces astresastres pourraient avoir des exolunes. Exolunes qui pourraient même, à cause de l'orbite de leur géante gazeuse, se trouver dans la zone d'habitabilitézone d'habitabilité. On peut donc penser que AvatarAvatar, le célèbre film de James Cameron, est peut-être plus qu'un bon film de Science-fiction.

Dans ce cadre, on s'interroge sur la possibilité de l'existence d'un bouclier magnétique fourni par les géantes gazeuses pour ces exolunes, notamment lorsque l'étoile hôte des géantes est susceptible de faire de terribles colères, générant des rayonnements délétères pour l'existence d'atmosphèreatmosphère et d'océans où la vie pourrait apparaître et prospérer. Les planétologues aimeraient donc bien, en particulier, vérifier par des observations si leurs modèles de génération des magnétosphèresmagnétosphères pour les planètes - inspirés de ceux observés et étudiés dans le cas du Système solaire avec la Terre (par exemple avec la célèbre expérience VKS) et Jupiter justement -, peuvent être transposés au monde des exoplanètes et en particulier des géantes gazeuses.

Bonne nouvelle, les premiers progrès en ce sens viennent d'être réalisés, comme le prouve la publication dans le journal Nature Astronomy d'un article en accès libre sur arXiv. Il montre que l'on a réussi pour la première fois à estimer les champs magnétiqueschamps magnétiques de géantes gazeuses faisant partie de quatre systèmes planétaires. Il s'agit à chaque fois de Jupiters chaudes et ce n'est pas un hasard.

C'est une équipe internationale d'astrophysiciensastrophysiciens qui a fait cette découverte en mesurant les variations dans l'intensité de l'émissionémission d'atomesatomes de calciumcalcium deux fois ionisés (Ca II), présents dans l'équivalent de la chromosphèrechromosphère des quatre étoiles étudiées. Les mesures ont été obtenues avec l'aide des instruments de l'observatoire Canada-France-Hawaïobservatoire Canada-France-Hawaï situé près du sommet du Mauna Kea à Hawaï, notamment avec l'instrument ESPaDOnS (Echelle SpectroPolarimetric Device for the Observation of Stars), un spectropolarimètre construit par les équipes de l'Irap pour le CFHT (Canada-France-Hawaï Telescope).

Une technique de mesure avec la reconnexion magnétique

L'idée de la méthode est la suivante. Une Jupiter chaude est particulièrement proche de son soleil, de sorte que sa magnétosphère est en interaction forteinteraction forte avec la magnétosphère de l'étoile, un peu comme le feraient deux aimantsaimants proches l'un de l'autre. Au niveau des lignes de champs magnétiques, l'interaction se produit par leur déformation, de sorte que les lignes peuvent se combiner et se couper pour changer de configuration en exhibant le fameux phénomène de reconnexion magnétiquereconnexion magnétique que l'on connaît dans le cas du Soleil en particulier.

Ce phénomène, qui intervient dans quasiment tous les plasmas magnétisés, permet de brutalement convertir l'énergieénergie stockée dans un champ magnétique, et ses lignes de champs comprimées et déformées comme un milieu élastique, semblables à des ressorts, en d'autres formes d'énergie. C'est par exemple le cas sous forme de chaleurchaleur dans la chromosphère d'une étoile, ce qui provoque un pic des émissions de certains ionsions justement.

Les flèches rouges symbolisent les mouvements du plasma. Lorsque ceux-ci se rapprochent des lignes de champ magnétique d’orientation très différente (en noir), on observe une zone de courant intense, en bleu. Sur la figure de droite, l’intensité du courant ayant dépassé un seuil critique, la reconnexion magnétique a eu lieu et la topologie du champ est modifiée. © Lesia, observatoire de Paris

Il existe une théorie qui permet de relier précisément le surplus de puissance rayonné du fait de la reconnexion à l'intensité moyenne du champ magnétique d'une Jupiter chaude en interaction avec son étoile hôte. Les astrophysiciens ont non seulement confirmé la présence de magnétosphère pour les quatre exoplanètes étudiées mais ils ont aussi estimé que les intensités de champs magnétiques étaient comprises entre 20 à 120 Gauss. À titre de comparaison, le champ magnétique de Jupiter est de 4,3 gauss et l'intensité du champ de la Terre n'est que d'un demi-gauss.

Ces valeurs ont surpris les chercheurs car elles étaient plus grandes que celles prédites par les modèles analogues à ceux de la géodynamo terrestre, et fonctions de la rotation et de l'âge des Jupiters chaudes. Par contre, ces mesures soutiennent les modélisationsmodélisations similaires qui font intervenir un important flux de chaleur en provenant de l'étoile hôte, la planète.

Exoplanètes : les Jupiter chaudes se formeraient très rapidement

Article du CNRS publié le 15/09/2015

Vingt ans après leur découverte, les Jupiter chaudes, ces planètes géantes gazeusesplanètes géantes gazeuses gravitant très près de leur étoile, restent encore des objets énigmatiques. Une équipe internationale d'astrophysiciens vient de montrer que ces corps pourraient ne mettre que quelques millions d'années à se rapprocher de leur étoile tout juste formée. Cette découverte devrait nous aider à mieux comprendre comment les systèmes planétaires, similaires ou différents de notre Système solaire, se forment et évoluent au cours de leur existence.

Dans le Système solaire, les planètes rocheusesplanètes rocheuses, comme la Terre et Mars, occupent les régions proches du Soleil alors que les planètes géantes et gazeuses, comme Jupiter ou SaturneSaturne, sont plus éloignées. D'où la surprise de Michel Mayor et Didier Queloz lorsqu'ils découvrent, il y a exactement vingt ans, la toute première exoplanète. Pegasi-51b est en effet une planète géante gazeuse similaire à Jupiter mais tournant autour de son étoile vingt fois plus près que la Terre autour du Soleil.

Depuis, les astronomesastronomes ont montré que ces futures Jupiter chaudes se forment en périphérie du disque protoplanétairedisque protoplanétaire, le nuagenuage qui donne naissance à l'étoile centrale et aux planètes environnantes, avant de migrer à l'intérieur. C'est lorsqu'elles se rapprochent ensuite au plus près de leur étoile que ces planètes géantes gazeuses se réchauffent et deviennent des Jupiter chaudes - au contraire de notre Jupiter, planète géante « froide », environ 5 fois plus éloignée du Soleil que la Terre.

Mais alors, quand ces Jupiter chaudes se rapprochent-elles de leur étoile ? Les astronomes imaginaient jusqu'ici deux théories possibles : ce processus peut se produire dans une phase très précoce, alors que les jeunes planètes s'alimentent encore au sein du disque originel, ou bien plus tardivement, une fois que de nombreuses planètes ont été formées et interagissent en une chorégraphie si instable que certaines d'entre elles se retrouvent propulsées au voisinage immédiat de l'étoile centrale.

Le télescope Apex, au Chili, a débusqué des étoiles en formation à l’intérieur de ce filament de gaz froid et sombre distant de 450 années-lumière, en direction de la constellation du Taureau. © Eso, Apex

Toute jeune et déjà présente tout près de leur étoile ?

Une équipe internationale d'astrophysiciens, comprenant plusieurs chercheurs français et menée par Jean-François Donati, de l'Institut de recherche en astrophysiqueastrophysique et planétologie (Irap, CNRS, université Toulouse III-Paul Sabatier), viendrait de montrer que le premier scénario (un rapprochement dans une phase précoce) était une réalité. Avec l'instrument ESPaDOnS (Echelle SpectroPolarimetric Device for the Observation of Stars), un spectropolarimètre construit par les équipes de l'Irap pour le CFHT (Canada-France-Hawaï Telescope), les chercheurs ont observé des étoiles en formation au sein d'une pouponnière stellaire située à environ 450 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Taureauconstellation du Taureau. L'une d'elles, V830 Tau, montre des signatures similaires à celles causées par une planète 1,4 fois plus massive que Jupiter mais sur une orbite 15 fois plus proche de l'étoile que la Terre ne l'est du Soleil (soit environ 10 millions de km). Cette découverte suggère que les Jupiter chaudes peuvent être extrêmement jeunes et potentiellement bien plus fréquentes autour des étoiles en formation qu'au voisinage d'étoiles adultes comme le Soleil.

Les étoiles jeunes abritent des trésors d'information sur la formation des planètes. Leur activité et leur champ magnétique très intenses les couvrent de taches des centaines de fois plus grosses que celles du Soleil. Elles engendrent donc dans leur spectrespectre des perturbations d'amplitude bien plus importantes que celles causées par des planètes qui deviennent par conséquent beaucoup plus difficiles à détecter, même dans le cas des Jupiter chaudes. Pour aborder ce problème, l'équipe a entrepris le programme d'observation MaTYSSE (Magnetic Topologies of Young Stars and the Survival of close-in giant Exoplanets) dans le but de cartographier la surface de ces étoiles et de détecter d'éventuelles Jupiter chaudes.

A gauche : les taches à la surface de la jeune étoile V830, autour de laquelle gravite la supposée planète géante. A droite : les lignes de champ magnétique de l'étoile ont été reconstruites à partir des observations ESPaDOnS. © CFHT

Une détection indirecte

En suivant ces étoiles au cours de leur rotation et par le biais de techniques tomographiques inspirées de l'imagerie médicale, il est possible de reconstruire la distribution des taches sombres et brillantes, ainsi que la topologie du champ magnétique, à la surface des étoiles jeunes. Cette modélisation rend également possible la correction des effets perturbateurs de l'activité et la détection d'éventuelles Jupiter chaudes. Dans le cas de V830 Tau, les auteurs sont parvenus à découvrir, grâce à cette nouvelle technique, un signal enfoui suggérant la présence d'une planète géante. Même si de nouvelles données sont nécessaires pour valider la détection, ce premier résultat prometteur démontre clairement que la méthode proposée peut fournir les clés de l'énigme de la formation des Jupiter chaudes.

SPIRou, le nouvel instrument que les équipes de l'Irap construisent en ce moment pour le CFHT et dont la première lumière est prévue pour 2017, permettra de repousser encore les limites de la méthode, grâce à sa capacité à observer dans l'infrarougeinfrarouge, domaine dans lequel les étoiles jeunes sont beaucoup plus brillantes. Grâce à lui, la formation des étoiles et des planètes pourront être explorées encore plus finement.

Les chercheurs ont publié leur étude dans l'édition du 9 septembre 2015 de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) et en accès libre sur le site arXiv.