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On voit 4 exoplanètes autour de HR 8799 !

ActualitéClassé sous :Astronomie , exoplanète , Nature

On s'en doutait depuis près d'un an. Quatre géantes gazeuses sont bien en orbite autour de HR 8799. De nouveau, il a été possible de les prendre en photo. Mais leur existence reste incompréhensible...

Une nouvelle image infrarouge du système planétaire HR8799. Cette image montre la planète HR 8799b (environ 5 fois la masse de Jupiter), les planètes HR 8799c, HR 8799d (environ 7 fois la masse de Jupiter chacune) et la HR 8799e, la nouvelle planète. © NRC-HIA, Christian Marois, W.M. Keck Observatory

Le catalogue HR (pour Harvard Observatory, Revised photometry) répertorie les étoiles brillantes. Compilé par l'astronome américain Edward Charles Pickering, il a été publié pour la première fois en 1908. Il comprend les étoiles de magnitude photographique inférieure ou égale à 6,5, ce qui correspond plus ou moins aux étoiles visibles à l'œil nu. Ce catalogue comptait 9.110 objets dont 9.096 sont des étoiles de notre galaxie (les 14 objets restants se sont avérés être des novae ou des objets extragalactiques).

De nos jours, il a été remplacé par le Bright Star Catalogue (BSC), de l'Université Yale, qui reprend les mêmes étoiles. L'étoile visible à l'œil nu située dans la constellation de Pégase, ayant fourni avec Fomalhaut b les premières images directes d'exoplanètes en 2008, y porte  le nom de HR 8799.

La constellation de Pégase telle qu'elle apparaît sur la voûte céleste. © Gemini Observatory
Un zoom sur la constellation de Pégase, montrant la localisation de l'étoile HR 8799, à 129 années-lumière de la Terre. © Gemini Observatory

À l'époque, les observations en infrarouge fournies au sol par les télescopes munis d'optique adaptative du W.M. Keck Observatory et du Gemini Observatory, à Hawaï, montraient clairement trois exoplanètes possédant chacune une masse d'environ cinq à sept fois celle de Jupiter. Parallèlement, le télescope spatial Spitzer révélait autour de HR 8799 la présence d'une grande quantité de poussières, indiquant des processus de collisions très actifs dans une ceinture d'astéroïdes entourant cette jeune étoile.

HR 8799 et ses trois exoplanètes vues par les instruments de Keck en 2008. L'image centrale de l'étoile a été soustraite par un processus de traitement de l'image pour faire apparaître les trois exoplanètes. La tache que l'on voit au centre est donc un artefact de ce traitement de l'image. © Keck Observatory

Depuis lors, les astrophysiciens ont continué à étudier HR 8799, aussi bien avec les instruments du Keck qu'à l'aide de simulations numériques. Déjà, en 2009, l'existence d'une quatrième géante gazeuse en orbite était soupçonnée. Une publication dans le journal Nature confirme aujourd'hui non seulement que HR 8799e existe bel et bien, mais également qu'elle a été imagée. Comme HR 8799c et HR 8799d, sa masse est estimée à environ sept fois celle de Jupiter.

Des résonances orbitales à la frontière du chaos ?

Alors que notre propre Système solaire avec ses quatre géantes gazeuses est âgé de 4,6 milliards d'années, le système planétaire de HR 8799 n'aurait que quelques dizaines de millions d'années. Il n'est donc pas sorti des turbulences de sa genèse, comme le montrent celles de ses ceintures d'astéroïdes et de comètes. Il se pourrait même que l'on observe actuellement une phase transitoire de ce système.

Les orbites pourraient bien être instables et ne pas pouvoir conserver leurs formes actuelles dans un futur proche, à l'échelle de l'évolution d'un système planétaire. Elles pourraient cependant rester peu chaotiques pendant des milliards d'années. Dans les années à venir, l'amélioration de la précision des mesures des paramètres orbitaux et des masses des exoplanètes devrait nous permettre d'y voir plus clair.

Une vue d'artiste du système d'exoplanètes de HR 8799 tel qu'il était connu en 2008. © Gemini Observatory/Lynette Cook

D'après les simulations des spécialistes de la mécanique céleste, les perturbations gravitationnelles qu'exercent les unes sur les autres les trois géantes internes sont importantes. Les orbites ne doivent jusqu'à présent leur stabilité qu'au fait que HR 8799e et HR 8799b bouclent leur orbite en respectivement quatre fois et deux fois moins de temps que HR 8799c. C'est un phénomène similaire à celui des résonances orbitales, qui s'observe dans le Système solaire. Le cas le plus connu est probablement celui de la résonance de Laplace, avec les lunes de Jupiter, Io, Europe et Ganymède. Cependant, c'est la première fois qu'on observe ce phénomène à une si grande échelle.

Les nouvelles images de HR 8799 montrent maintenant quatre exoplanètes. On voit ici une simulation avec une comparaison du système de HR 8799, à gauche, avec le Système solaire, à droite. Les observations en infrarouge ont montré que le système HR 8799 possède une ceinture d'astéroïdes, riche en poussières, des milliers de fois plus dense que la nôtre et qui est façonnée par la gravitation de la même façon que Jupiter façonne notre ceinture d'astéroïdes. Il existe aussi une ceinture extérieure de comètes et de débris similaire à notre ceinture de Kuiper, mais beaucoup plus massive. © NRC-HIA, Christian Marois, W.M. Keck Observatory

Un casse-tête pour planétologue théoricien

Le plus fascinant, mais aussi le plus problématique, c'est que la structure actuelle du système planétaire de HR 8799 défie les modèles théoriques de formation planétaire ! Ces modèles avaient déjà été mis à mal en 1995 avec la découverte de la première Jupiter chaude. À l'époque, on comprenait mal comment une géante gazeuse pouvait se retrouver aussi proche de son étoile hôte alors qu'elle devait se former à grande distance. Par la suite, la multiplication des observations du même genre avait conduit à reconnaître l'importance du processus de migrations planétaires.

Pour Bruce Macintosh, l'un des auteurs de l'article de Nature : « Il n'y a pas de modèle simple expliquant la présence de ces quatre planètes à leur emplacement actuel. C'est un défi pour nos collègues théoriciens ». Les observations ne peuvent être expliquées ni par le modèle d'accrétion dans lequel les planètes se forment dans le voisinage proche (riche et dense en gaz et poussières) autour d'une étoile, ni par le modèle de fragmentation d'un disque protoplanétaire turbulent.

Comme le disait Hamlet à Horatio : « Il y a plus de choses sur la Terre et dans le ciel, Horatio, qu'il n'en est rêvé dans votre philosophie ».

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