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Fomalhaut b, une exoplanète saisie dans le visible par Hubble

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La patience a payé pour un groupe d'astronomes américains. En étudiant avec le télescope Hubble durant plusieurs années l'étoile Fomalhaut située à seulement 25 années-lumière de la Terre, les chercheurs ont obtenu les premières images dans le visible d'une exoplanète trois fois plus massive que Jupiter, Fomalhaut b.

Entre 2004 et 2006, la planète Fomalhaut b, apparaissant comme une tache brillante, s'est déplacée selon une trajectoire correspondant à une orbite et obéissant aux lois de Kepler. Crédit : NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory)

Etoile principale d'une constellation de l'hémisphère sud, le Poisson Austral, Fomalhaut est connue depuis la plus haute antiquité, avant de devenir l'objet de l'attention des chasseurs d'exoplanètes dès le début des années 1980. A cette époque, le satellite de la Nasa, IRAS (Infrared Astronomy Satellite) détecte en infrarouge la signature d'une grande quantité de poussières, pouvant s'interpréter comme due à la présence d’un système planétaire.

Dès 2004, déjà avec Hubble, la même technique de coronographie, bien connue en physique solaire, avait montré que Fomalhaut était entourée d'un anneau de débris et de poussières laissés par un disque protoplanétaire, ressemblant beaucoup à la ceinture de Kuiper de notre propre système solaire, riche en poussières, comètes et petites planètes, désormais appelées plutoïdes.

Fomalhaut est une étoile jeune puisqu'elle ne doit être âgée que de 200 à 300 millions d'années. Toutefois, elle est de type A sur la séquence principale et donc plus chaude que notre Soleil. Le taux de ses réactions nucléaires est bien plus élevé, ce qui signifie qu'elle devrait épuiser son carburant nucléaire en un milliard d'années environ. Seize fois plus brillante que notre Soleil, elle aura donc une existence dix fois plus courte.

Cliquez pour agrandir. L'étoile Fomalhaut dans la constellation du Poisson Austral. Crédit : A. Fujii, NASA, ESA, and Z. Levay (STScI)

Etant très lumineuse, plus que le Soleil, la détection autour d'elle d'une planète n'est donc pas chose aisée et c'est une performance extraordinaire que viennent d'accomplir Paul Kalas et ses collègues.

Déjà en 2005, celui-ci avait proposé que la structure bien particulière de l'anneau de poussières détecté impliquait la présence d'un planète géante, proche de celui-ci, exerçant son influence gravitationnelle. En  particulier, le centre de l'orbite de l'anneau ne coïncident pas avec celui de l'étoile, de plus les bords nets de ce dernier s'expliquaient bien là aussi, si l'on compare les effets gravitationnels confinant des satellites bergers des anneaux de Saturne, par la présence proche d'une planète.

Pour en avoir le cœur net, les astronomes ont occulté la lumière centrale de l'étoile avec le coronographe équipant Hubble afin de détecter une éventuelle exoplanète dont la luminosité pouvait être au moins un milliard de fois plus faible que celle de son étoile hôte. Ils avaient alors noté la présence de zones un peu plus brillantes autour de l'étoile qui pouvaient être des planète. De fait, en 2006, de nouvelles images montraient clairement qu'une de ces taches brillantes s'était déplacée par rapport à l'étoile.

Cliquez pour agrandir. L'image prise avec le coronographe de Hubble montre l'anneau de poussières autour de Fomallhaut. Le zoom montre une tache brillante se déplaçant de 2004 à 2006 selon une orbite autour de l'étoile . C'est Fomalhaut b. Crédit : NASA, ESA, P. Kalas, J. Graham, E. Chiang, E. Kite (University of California, Berkeley), M. Clampin (NASA Goddard Space Flight Center), M. Fitzgerald (Lawrence Livermore National Laboratory), and K. Stapelfeldt and J. Krist (NASA Jet Propulsion Laboratory)

Les études et les analyses ont montré qu'il s'agissait bien d'un objet en orbite autour de Fomalhaut et qui suivait les lois de Kepler. Située à 119 unités astronomiques (UA) de son étoile, c'est-à-dire environ 10 fois la distance du Soleil à Saturne,  Fomalhaut b ne l'est que de 18 AU du bord interne de l'anneau de poussières. Après quatre mois d'analyse des données observationnelles concernant la stabilité de l'anneau de poussières, en conjonction avec des modélisations de l'influence de Fomalhaut b sur celui-ci, une estimation de la masse de l'exoplanète a été obtenue. Elle est de 3 fois celle de Jupiter mais ne peut guère la dépasser, sans quoi l'anneau serait distordu et verrait même son existence impossible.

Cliquez pour agrandir. Une vue d'artiste de Fomalhaut b. Crédit : ESA, NASA, and L. Calcada (ESO for STScI)

Remarquablement, la luminosité dans le visible de la planète est anormalement élevée, ce qui suggère l'existence autour d'elle d'un système d'anneaux constitués de glace réfléchissant la lumière, comme dans le cas de Saturne, mais d'une toute autre ampleur !

En revanche, comme une jeune planète géante, elle devrait rayonner assez fortement dans l'infrarouge (IR) puisqu'elle est encore en plein processus de contraction gravitationnelle selon le mécanisme de Kelvin-Helmholtz. Des tentatives d'observations au sol en IR sont en cours. Les renseignements sur la composition de l'atmosphère de cette exoplanètes que l'on en tirerait seraient précieux pour comprendre l'évolution primitive des planètes géantes du système solaire.

Cliquez pour agrandir. Une comparaison entre le système de Fomalhaut et le notre. Crédit : NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Comme Neptune et Uranus, Fomalhaut b est probablement née plus proche de son soleil et a ensuite migré vers l'extérieur par le jeu des interactions gravitationnelles à N corps, donc vraisemblablement avec des plus petites planètes.

Une telle observation est très encourageante car elles nous montrent que la prochaine génération de télescopes dédiée à l'étude des exoplanètes, et qui va bientôt être opérationnelle, ne devrait pas manquer de nous donner rapidement des informations et des images extraordinaires, levant un coin du voile sur notre origine et notre place dans l'Univers.

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