Illustration des deux planètes géantes qui accrètent la matière dans le disque de poussière qui entoure la jeune étoile PDS 70. © J. Olmsted (STScI)

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Deux exoplanètes en train de grossir et des bébés-lunes observés pour la première fois

ActualitéClassé sous :Astronomie , exoplanète , protoplanète

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Grandiose : une deuxième planète a été découverte par observation directe autour de la très jeune étoile PDS 70. Ces deux gros bébés sont plus massifs que Jupiter et continuent de pousser en dévorant tout sur leur passage. Une autre équipe de chercheurs a, de son côté, mis en évidence un disque circumplanétaire autour de PDS 70b. C'est la première fois que les astronomes assistent à la naissance d'exolunes.

Ce n'est pas exactement notre Système solaire dans sa petite enfance que l'on peut admirer sur ces images mais cela devait y ressembler. Âgée d'un peu moins de six millions d'années, PDS 70 (environ 0,76 masse solaire) est une étoile toute jeune de type naine orange qui, à l'instar de notre Soleil quand il avait le même âge (c'était donc il y a environ 4,5 milliards d'années), est actuellement entourée d'un vaste disque de gaz et de poussière distinct sur les images du VLT (l'éclat de PDS 70 a été masqué). Beaucoup de choses s'y passent à l'intérieur et c'est pour cette raison que des astronomes la scrutent régulièrement, autant fascinés que curieux de comprendre l'évolution d'un système planétaire et d'assister à la naissance de ses planètes.

Et des naissances, il y en a désormais deux de connues dans ce système situé à quelque 370 années-lumière de la Terre. Ce sont deux planètes géantes surprises au beau milieu des fossés ou « vides » qu'elles ont creusés dans le disque protoplanétaire.

La grande luminosité de l’étoile PDS 70 a été éliminée de cette image de Muse sur le VLT après traitement des données. Les astronomes ont ainsi pu distinguer les deux jeunes planètes géantes qui sont en train de découper le disque protoplanétaire. © ESO, S. Haffert (Leiden Observatory)

Deux planètes géantes gazeuses émergeant du disque protoplanétaire

La première, PDS 70b, a été débusquée il y a plus d'un an par l'instrument chasseur d'exoplanètes du VLT Sphere (voir article plus bas). D'une masse comprise entre 4 et 17 fois celle de Jupiter, la jeune planète géante continue encore de croître à quelque 3,2 milliards de kilomètres de son soleil - soit à une distance équivalente à celle d'Uranus dans notre système - en ramassant et piégeant tout ce qui traîne sur son passage.

La seconde, désignée PDS 70c, a récemment été démasquée via l'instrument Muse (Multi Unit Spectroscopic Explorer) du VLT. Elle loge à plus de cinq milliards de kilomètres de son étoile - ce qui correspond à peu près à l'orbite de Neptune - et avale aussi le gaz et la poussière qui se promènent alentour. D'une masse estimée entre une et dix fois celle de Jupiter, c'est aussi un beau gros bébé en pleine croissance. Dans leur étude publiée dans Nature Astronomy, les chercheurs rapportent que les orbites des deux planètes sont presque en résonance (2:1) : ainsi, pendant que la plus éloignée fait un tour autour de son étoile, la plus proche, elle, a le temps d'en faire deux. C'est la première fois que des chercheurs apportent des preuves directes que les interstices ou « vides » dénués de poussière entre les anneaux sont occupés par des planètes en formation.

Image infrarouge du système de PSD 70. Autour de la jeune étoile masquée au centre, PDS 70b et son disque circumplanétaire. © ESO, V. Christiaens et al.

La première preuve d’un disque circumplanétaire

Autre découverte qui marque un cap : un disque circumplanétaire autour de PDS 70b. C'est la première fois, et après des années de recherche « intensives » que des astronomes réussissent à en mettre un en évidence. Cela, grâce à des images infrarouges dans différentes longueurs d'onde prises avec le VLT et traitées avec « une méthode innovante ». Pour l'équipe, des lunes sont certainement en gestation dans cette nuée de poussière et de gaz qui encercle la géante. On assiste littéralement à la naissance de ses futurs satellites naturels, comme le prévoient les modèles théoriques.

« Notre travail ajoute une autre pièce au puzzle de la formation de planètes géantes dont la première pièce a été placée par Galilée il y a quatre siècles avec la découverte des quatre grandes lunes de Jupiter », a commenté Valentin Christiaens, l'auteur principal de l'étude menée par la Monash School of Physics and Astronomy qui vient de paraître dans la revue The Astrophysical Journal Letters.

Tout ceci évoque notre Système solaire dominé par les deux géantes Jupiter (elle fut la première à se former) et Saturne et où des planètes plus petites et rocheuses ont pris place plus près du Soleil. Y a-t-il d'autres embryons de planètes qui accrètent de la matière autour de la jeune PDS 70 ? Si oui, ils n'ont pas encore été trouvés mais ce serait bien sûr formidable. Les astronomes continuent de fouiller le disque de poussière à la recherche d'autres protoplanètes et objets en formation. Les nouvelles techniques d'observation qui ont permis ces découvertes ainsi que la prochaine génération de télescopes géants aideront à les dénicher. Dans le système de PDS 70 et ailleurs. Et il devrait même être possible d'évaluer la température de ces nouveaux mondes surgis du chaos.

Pour en savoir plus

Un bébé planète photographié pour la première fois !

Article de Xavier Demeersman publié le 2 juillet 2018

C'est inédit : des astronomes sont parvenus à tirer le portrait d'un bébé planétaire. L'image, impressionnante, est celle d'un astre émergeant des nuées de poussières qui entourent la très jeune étoile. Un système solaire est en train de naître sous nos yeux. Merci à l'instrument Sphere, installé sur le VLT, au Chili.

Tout près de chez nous (à l'échelle de la Voie lactée), à seulement 370 années-lumière de la Terre, au sein de la constellation du Centaure, une planète géante est en train de naître autour du jeune soleil PDS 70. Son existence était soupçonnée depuis plusieurs années (les astronomes ne la quittaient pas des yeux). Enfin, la patience a payé : l'astre a été débusqué dans le disque de poussières qui l'a enfanté. Grâce à l'instrument Sphere (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet REsearch), greffé sur le VLT (un ensemble de télescopes géants au Chili), des astronomes ont obtenu le tout premier portrait d'un bébé planétaire ! Oui, une protoplanète confirmée a été photographiée directement. Une belle prouesse qui, pour les chercheurs, ouvre grand une fenêtre sur les premiers pas des planètes. Stupéfiant !

« À ce jour, seule une poignée d'observations a conduit à la détection de protoplanètes au sein de disques de poussières, rappelle Miriam Keppler (qui a presque le même nom que le célèbre astronome et que le télescope spatial chasseur d’exoplanètes...), qui figure parmi les principaux artisans de cette image inédite et qui est l'auteur principale des articles décrivant le bébé planétaire (à paraître dans la revue Astronomy & Astrophysics). Jusqu'à présent, la plupart de ces planètes candidates pouvaient n'être que des artefacts du disque », ajoute-t-elle. Eh bien, pas cette fois.

Image annotée de la protoplanète PDS 70b. Le bébé planète se détache nettement des observations. Il apparaît sous la forme d’un point de lumière. Le centre de l'image est assombri par le coronographe utilisé pour bloquer l'intense lumière en provenance de l'étoile centrale. © A. Müller et al., ESO

Une protoplanète beaucoup plus massive et chaude que nos planètes

Le nom de cette protoplanète est PDS 70b. Celle-ci gravite autour d'une étoile de type naine orange, classée T Tauri, qui est âgée d'à peine plus de 5 millions d'années. C'est donc encore très jeune. Tout est en train de se mettre en place là-bas. Pour voir PDS 70b, les astronomes ont utilisé Sphere, qui leur a permis de masquer l'éclat de l'étoile avec le coronographe et, ainsi, de mettre en évidence le nouveau-né à l'intérieur de ce maelström de poussières beaucoup moins lumineux. Ensuite, en disséquant la lumière de l'astre, ils ont beaucoup appris à son sujet.

Le nouveau-né est encore dans son couffin de gaz et son atmosphère semble arborer des nuages, nous apprennent les astronomes. Bien que plus petite que son étoile, PDS 70b montre manifestement certaines caractéristiques d'une géante. Il s'agirait d'une planète géante gazeuse plus massive et plus chaude que celles de notre Système solaire. En effet, les chercheurs ont pu conclure qu'elle est plus grande et plus massive encore que notre Jupiter (entre 1,4 et 3,7 fois sa taille) et que sa température actuelle avoisine les 1.000 °C ! C'est beaucoup pour une planète située à 3 milliards de kilomètres de son étoile (la même distance séparant Uranus de notre Soleil). En fait, ce serait plutôt normal, soutiennent les chercheurs, qui indiquent que cette valeur est en accord avec les modèles de formation planétaire.

Apercevoir une protoplanète dans nos télescopes, c'est le graal pour les spécialistes des questions liées à la naissance des planètes. Cela permet de tester les modèles théoriques. Cette découverte couronne l'immense travail des astrophysiciens et ingénieurs qui ont participé à ces recherches et aussi de ceux qui ont conçu Sphere, redoutable chasseur d'exoplanètes. Un nouveau pas a été franchi.


La première image d'un bébé planète étonne les astronomes

Article de Xavier Demeersman publié le 26 mars 2016

Fin 2014, Alma dévoilait un disque protoplanétaire autour de HL Tauri, une étoile toute jeune qui n'a qu'un million d'années. Avec le VLA, une équipe est allée plus loin encore et a découvert un grumeau de poussière qui pourrait être un véritable embryon planétaire. Surprenant pour une étoile aussi jeune.

Au même titre que les astronomes cherchent à connaître dans les détails toutes les étapes qui conduisent à la formation d'une étoile - qu'elles soient du même type que le Soleil ou plus (ou moins) massive -, beaucoup s'intéressent à l'émergence de leurs sous-produits, les planètes. Comment se prépare une Jupiter ou une Terre ? Comment obtient-on un système planétaire qui ressemble au nôtre ? etc. Pour tenter d'y répondre, les chercheurs vont dans leurs laboratoires (et non leur cuisine) pour essayer de retrouver la recette en préparant des simulations. Certains ingrédients leur sont soufflés, entre autres, par l'étude cosmochimique du milieu interstellaire (nuages moléculaires) et aussi des comètes, lesquelles conservent des traces des conditions qui régnaient aux origines du Système solaire. Bien entendu, les observer en train de naître est très précieux pour comparer les modèles avec la réalité. Mais les différences d'échelles font que jusqu'à présent, il a toujours été plus facile d'étudier des protoétoiles que des protoplanètes.

Toutefois, la situation est en train de changer grâce aux progrès techniques et aux nouvelles générations d'instruments. Souvenons-nous, pour l'une de ses premières observations avec la totalité de ses antennes déployées, Alma (Atacama Large Millimetre/sub-millimetre Array) nous avait émerveillés en novembre 2014 en nous dévoilant le disque de poussière - subdivisé en anneaux - qui entoure la très jeune étoile HL Tauri. Jamais un disque protoplanétaire n'avait été vu avec autant de détails auparavant. Cela ne se passe pas très loin du Système solaire, c'est à environ 450 années-lumière en direction du Taureau, dans le terreau encore très sombre d'une pépinière d'étoiles.

Avec le VLA (Very Large Array) basé au Nouveau-Mexique, une équipe est allée encore plus loin dans l'intimité de l'étoile en nous révélant les régions les plus proches. Et là, surprise...

À gauche : le disque protoplanétaire de HL Tauri observé avec Alma (fin 2014). À droite : région centrale observée cette fois avec le VLA. Dans l’anneau grumeleux, on distingue un agrégat de matière (clump) qui semble se détacher. Sa masse est estimée entre 3 et 8 fois celle de la Terre. Une superterre est peut-être en train de se former. © Carrasco-Gonzalez et al., Bill Saxton, NRAO, AUI, NSF

Un développement ultrarapide

Dans les premiers cercles autour de HL Tauri, on distingue au sein de l'anneau grumeleux de poussière, une motte assez dense qui se détache du reste. Sa masse est estimée entre 3 et 8 fois celle de la Terre, ce qui en fait un très bon candidat pour un embryon planétaire, peut-être une superterre, mais il faudra, pour en être sûr, attendre encore quelques millions d'années.

Les chercheurs sont intrigués. Selon les modèles, la fabrication des planètes est un processus très lent au sein d'un disque de gaz et de poussières supposé uniforme. Doucement, les particules s'agrègent pour former des blocs de plus en plus gros jusqu'aux planétésimaux de tailles variables et, par la suite, des planètes. Il y a une véritable course contre la montre, car parallèlement, le rayonnement de plus en plus intense de la jeune étoile balaie les matériaux les plus volatiles dans son entourage, menaçant ainsi de tenir en échec les embryons de planètes. Plus le temps passe, plus il est difficile de mettre en œuvre un ou des compagnons planétaires. Aussi, si au bout de 10 millions d'années, rien n'a émergé, cela ne se fera jamais...

Dans le cas de HL Tauri, c'est plutôt le contraire : le chantier semble avoir déjà bien avancé alors que l'étoile n'est âgée que de seulement un million d'années ! « Il y a dix ans, nous avons trouvé les premières indications de ces processus de formation planétaire ultrarapide dans nos simulations », raconte Hubert Klahr, théoricien à l'Institut Max Planck d'astrophysique qui a participé à cette étude (disponible sur arXiv).

L'enquête se poursuit. Les chercheurs travaillent d'ores et déjà à modéliser en détail ce qui peut se passer tout autour de l'étoile et bien sûr à collecter de nouvelles données sur ce grumeau de matière afin de mieux en cerner sa nature. « Des images très détaillées comme celles-ci élèvent la recherche sur la formation planétaire à un nouveau niveau, note Thomas Henning qui a dirigé l'équipe. Visiblement, les structures dans le disque comme ce grumeau que nous avons découvert sont nécessaires si nous voulons expliquer la formation de systèmes comme le nôtre. »

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