Vue d'artiste de deux naines brunes. © Roberto Molar Candanosa & Sergio Dieterich, Carnegie Institution for Science
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Un duo d'objets solitaires, semblables à des planètes, mais nés comme des étoiles

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Une équipe de recherche internationale a découvert un système binaire exotique constitué de deux jeunes objets tournant l'un autour de l'autre à très grande distance. Bien que ces objets ressemblent à des exoplanètes géantes, ils se sont formés de la même manière que les étoiles, démontrant que les mécanismes de formation d'étoiles peuvent produire des corps aussi peu massifs sans étoile.

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Des exoplanètes et des naines brunes, ça fait près de trois décennies que l'on en découvre. Cependant, dans ce domaine, de nouvelles surprises ne cessent d'arriver. Les exoplanètes se forment habituellement autour d'une étoile dans un disque protoplanétaire. De leur côté, les naines brunes, objets intermédiaires entre les planètes et les étoiles, se forment comme des étoiles et errent généralement seules dans l'espace.

Cependant, la découverte d'un côté de sous-naines brunes, ou « planètes errantes », objets de masse planétaire sans étoile, et de l'autre de « super-Jupiters », compagnons d'étoiles pouvant atteindre la masse de naines brunes, laisse penser qu'il doit exister un intervalle de masses où les deux modes de formation doivent coexister.

Dans une nouvelle étude, une équipe de recherche internationale dirigée par Clémence Fontanive, chercheuse postdoctorale au Centre pour l'Espace et l'Habitabilité de l'université de Berne (CSH, en Suisse) et membre du pôle de recherche national suisse PlanetS, nous présente la découverte d'un système binaire exotique sans étoile, composé de deux jeunes objets de faible masse en orbite à très grande distance l'un de l'autre.

Dr. Clémence Fontanive. © Université de Berne

Des objets peu massifs et éloignés l'un de l'autre

Le système CFHTWIR-Oph 98 -- ou juste Oph 98 en abrégé -- est situé à 450 années-lumière de la Terre dans l'association stellaire d'Ophiuchus, une région de formation d'étoiles qui a un âge médian de seulement 3 millions d'années. Ce système est constitué de deux objets de très faible masse : Oph 98 A, qui a une masse d'environ 15 fois celle de Jupiter, et Oph 98 B, d'une masse de l'ordre de 8 masses joviennes.

Comme l'explique Clémence Fontanive, les naines brunes de faible masse sont très froides et émettent très peu de lumière, uniquement par rayonnement thermique infrarouge. De plus, l'association stellaire dans laquelle se trouve le système est noyée dans un nuage dense et poussiéreux qui diffuse la lumière visible. Les observations infrarouges sont donc le seul moyen de voir ces objets. La détection d'un système comme Oph 98 nécessite également une caméra à très haute résolution, car l'angle séparant Oph 98 A et B est mille fois plus petit que la taille de la Lune dans le ciel. Les astronomes ont ainsi utilisé le télescope spatial Hubble pour identifier Oph 98 B.

La faible température des naines brunes (de l'ordre de 2.050 et 1.530 °C pour Oph 98 A et B respectivement) permet la formation de vapeur d'eau dans leur atmosphère, détectable en infrarouge. La couleur très rouge d'Oph 98 A et B et les signes évidents de molécules d'eau ont immédiatement confirmé que la source vue à côté d'Oph 98 A était très probablement également une naine brune froide et non une étoile quelconque qui se trouvait alignée avec la naine brune dans le ciel.

Images du système binaire Oph 98 par le CFHT (gauche), Hubble (milieu) et UKIRT (droite). Le nord est en haut et l'est à gauche. L'échelle angulaire est indiquée sur l'image de gauche et est la même pour les trois images. © Fontanive et al., The Astrophysical Journal Letters, 2020

Grâce à des images prises il y a 14 ans avec le télescope Canada-France-Hawaï (CFHT) et à de nouvelles observations faites cet été avec le télescope infrarouge du Royaume-Uni (UKIRT), tous deux situés à Hawaï, il a été possible de confirmer que Oph 98 A et B se déplacent ensemble dans le ciel par rapport aux étoiles en arrière-plan, ce qui prouve qu'ils sont liés gravitationnellement et forment un système binaire. Ces deux objets sont en orbite l'un autour de l'autre à une distance étonnamment grande : environ 30 milliards de kilomètres, c'est-à-dire 200 fois la distance Terre-Soleil ou environ 5 fois la distance moyenne entre le Soleil et Pluton.

Un résultat atypique de la formation d'étoiles

Le système binaire Oph 98 s'est formé il y a seulement 3 millions d'années, ce qui est beaucoup plus court que le temps typique nécessaire pour former des planètes. Les naines brunes comme Oph 98 A se forment de la même façon que les étoiles. Cependant, bien qu'Oph 98 B ait la masse d'une planète, son hôte, Oph 98 A, est trop petit pour avoir un réservoir de matériaux suffisant pour former une planète aussi grande. Oph 98 B a donc dû se former également comme une étoile, ce qui montre que les processus de formation d'étoiles binaires peuvent produire des versions à l'échelle réduite jusqu'à ces masses planétaires.

Par ailleurs, la faible masse de ces objets et la très grande séparation entre les deux font que ce système a l'énergie de liaison gravitationnelle la plus faible de tous les systèmes binaires connus et imagés à ce jour.

Vue d'artiste d'Oph 98, avec Oph 98 B en violet à l'avant-plan et Oph 98 A en rouge en arrière-plan. Oph 98 A est le membre le plus massif et en conséquence le plus lumineux et chaud de la paire. Les deux objets sont entourés du nuage moléculaire dans lequel ils se sont formés. © Université de Berne, Thibaut Roger.
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