Une vue d'artiste de restes de croûtes planétaires se désintégrant sous l'action des forces des marées autour d'une naine blanche et froide. Le matériau du disque se vaporise près de l'étoile centrale et plonge sous l'effet de la gravité dans l'atmosphère de la naine blanche. © Université de Warwick, Mark Garlick
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Des restes de planètes désintégrées découverts autour de naines blanches

ActualitéClassé sous :Astronomie , NLTT 43806 , exoplanète

L'étude des atmosphères des cadavres d'étoiles que sont les naines blanches avait déjà permis de découvrir des traces de cadavres de planètes rocheuses, mais c'est la première fois que l'on trouve une preuve convaincante des restes vaporisés dans ces atmosphères de la croûte d'une exoterre.

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[EN VIDÉO] Mission Gaia : la Voie lactée bientôt cartographiée  La mission Gaia de l'ESA a mesuré les positions et les vitesses d'un milliard d'étoiles dans la Voie lactée. Cela va permettre de reconstituer l'histoire de notre Galaxie, de mieux connaître sa structure mais aussi de partir à la chasse à la matière noire et aux exoplanètes. 

Le prix Nobel de physique 2019 a récompensé les Suisses Michel Mayor et Didier Queloz pour leur découverte de la première exoplanète autour d'une étoile sur la séquence principale. Depuis plus d'un quart de siècle, le nombre de détections de ces astres a été grandissant. De plus, contrairement à ce que l'on pouvait croire il y a encore 100 ans, lorsque l'on pensait le modèle cosmogonique de Kant-Laplace réfuté et le modèle de naissance des planètes lors de rares rencontres rapprochées entre les étoiles favorisé (voir le traité d’Harold Jeffreys sur ces questions), nous savons que la formation planétaire est aussi inévitable que la naissance des étoiles.

En bonus, les instruments désormais à la disposition de la noosphère non seulement nous montrent divers stades d'évolution des disques protoplanétaires où naissent des Jupiter chaudes, des superterres et même des exocomètes - nous permettant également de préciser nos modèles de la naissance du Système solaire -, mais ces yeux de l'Humanité nous montrent aussi le destin que peut attendre la Terre lorsque le Soleil aura atteint le stade de naine blanche après celui de géante rouge.

Extrait du documentaire Du Big bang au Vivant (ECP Productions, 2010), Jean-Pierre Luminet parle de l'évolution des étoiles de type solaire, leur transformation en géantes rouges puis en naines blanches. © Jean-Pierre Luminet

Rappelons à ce sujet que la majorité des étoiles dans la Voie lactée sont des naines, des rouges en particulier comme Proxima Centauri ou Trappist-1. Il y a aussi de nombreuses naines jaunes comme notre Soleil. Elles partageront toutes un destin commun avec les étoiles de moins de huit masses solaires, elles ne finiront pas en supernovae SN II. Elles finiront toutefois par mourir en épuisant leur carburant nucléaire et elles se transformeront alors en naines blanches, une fois les réactions thermonucléaires de type proton-proton et CNO devenues impossibles.

Si les astronomes ont fait la découverte des naines blanches au XVIIIe siècle, ils n'ont commencé à se rendre compte à quel point ces astres étaient exotiques qu'au tout début du XXe siècle avec la détermination de l'extraordinaire densité des naines blanches. Une valeur de l'ordre de la tonne par centimètre cube fut en effet déduite de l'observation d'étoiles comme Sirius B.

La mécanique quantique jointe à la théorie de la relativité restreinte explique cet état de la matière dans une naine blanche. Ces mêmes lois de la physique vont la forcer à se cristalliser à force de se refroidir, donnant des sortes de diamants de la taille de la Terre à partir de leur noyau très riche en carbone (un cristal de Wigner pour être précis). Certaines finiront parfois sous forme de supernovae SN Ia lorsqu'elles sont en couple dans un système binaire.

Que deviendra la Terre lorsque le Soleil deviendra une géante rouge ?

La théorie de l'évolution stellaire, amplement vérifiée par les observations, nous dit que les couches supérieures du Soleil en phase géante rouge pourraient bien atteindre l'orbite de la Terre qui sera donc soumise à des températures élevées. Certainement aussi en raison de la modification du champ de gravité du Soleil, puisqu'il se sera dilaté, on peut s'attendre à des modifications des orbites des corps célestes du Système solaire. D'importantes collisions pourraient alors se produire.

De fait, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, en analysant l'atmosphère de la naine blanche NLTT 43806, des astrophysiciens y ont trouvé des traces d'anomalie chimique montrant que des matériaux planétaires, vraisemblablement issus d'une collision entre une exoterre et une exothéia, étaient tombés à la surface de la naine blanche.

D'autres cas de « contamination » d'atmosphères de naines blanches trahissant des destructions d'exoplanètes ont été démontrés mais, jusqu'à présent, il s'agissait surtout de traces de cœur et de manteau rocheux d'exoplanètes défuntes. Malgré l'exemple de NLTT 43806, on avait pas encore de preuves convaincantes de l'existence de restes des roches constituant la croûte d'une exoterre.

Une vue d'artiste de la naissance et de la mort du Système solaire. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa

Cela vient de changer comme le prouve la publication d'un article dans Nature Astronomy dont on peut trouver une version en accès libre sur arXiv et qui est le fruit du travail d'une équipe internationale de chercheurs, menée par des membres de l'Université de Warwick.

Les chercheurs ont dépouillé des données spectrales concernant l'atmosphère de plusieurs naines blanches dans les catalogues d'observations menées avec le satellite Gaia de l'ESA et les instruments au sol du fameux Sloan Digital Sky Survey. Il est possible avec ces données de déterminer la présence et les abondances des éléments chimiques. En l'occurrence, les chercheurs ont trouvé dans plusieurs des atmosphères de ces naines blanches des anomalies concernant ces abondances, c'est-à-dire des contradictions entre les faits et les prédictions de la composition chimique des naines blanches basées sur la théorie de l'évolution stellaire.

Ces anomalies reposent en premier lieu sur la détection des raies spectrales du lithium et du potassium et la comparaison des abondances de ces éléments avec celles déduites de la même manière des raies du sodium et du calcium. Un joli exercice qu'aurait sans doute apprécié à sa juste valeur le regretté Jean-Claude Pecker, grand spécialiste de l'étude des atmosphères stellaires.

Une chute continuelle de débris d'exoterre ?

Les astrochimistes ont constaté que le rapport des éléments correspondait à la composition chimique de la croûte de planètes rocheuses comme la Terre et Mars, si ces croûtes étaient vaporisées et mélangées dans les couches extérieures gazeuses de l'étoile pendant 2 millions d'années. C'est la première fois que l'on obtient une preuve convaincante de l'existence de ce matériau crustale car le lithium et le potassium sont présents en faible quantité comparativement aux roches du manteau ou du cœur de la Terre et aussi, on le pense, d'autres planètes telluriques du Système solaire. Auparavant, on n'avait pas utilisé de mesures concernant des naines blanches suffisamment refroidies pour voir clairement ce signal dans les atmosphères.

Une vue d'artiste de la collision entre la jeune Terre et Théia. © Nasa, JPL-Caltech

Les quantités de lithium et de potassium déterminées dans plusieurs naines blanches sont équivalentes à celles contenues dans des astéroïdes du Système solaire dont la composition est proche de celle de la croûte terrestre, et qui aurait quelques dizaines de kilomètres de rayon.

Les chercheurs en tirent la conclusion que les quantités mesurées viennent non pas de l'accrétion d'une planète rocheuse entière mais de petits corps célestes issus de la destruction d'une telle planète.

Dans le cas de l'une des naines blanches considérées, sa masse - plus de 70 % plus élevée que la moyenne - implique un champ de gravitation qui aurait dû faire sédimenter les noyaux de lithium et de potassium dans l'étoile et donc les faire disparaître de son atmosphère.

Il faut donc faire intervenir un apport continuel, ce qui suggère la présence d'un disque de débris proche, peut-être issus de la destruction d'une exoterre par les forces de marée de la naine blanche. De fait, la naine blanche en question rayonne plus dans l'infrarouge qu'elle ne le devrait, sauf à postuler un disque de poussières chauffées par le rayonnement de la naine blanche dont la surface dépasse la température de celle du Soleil et qui re-rayonnerait ensuite dans l'infrarouge.

Nous ne sommes qu'au début de ce genre d'études. Tout comme Gaia permet de faire de l'archéologie galactique, l'étude des atmosphères des naines blanches nous permet donc de faire de l'archéologie des planètes disparues.

Pour en savoir plus

Une collision d'exoplanètes a laissé des traces sur une naine blanche

Article de Laurent Sacco publié le 21/08/2011

Située à seulement 50 années-lumière de la Terre, la naine blanche NLTT 43806 présente une surface anormalement riche en aluminium. Pour les astrophysiciens, l'hypothèse la plus probable est qu'il y aurait eu accrétion de matériaux éjectés par une collision entre une exoterre et une exothéia.

Le système Terre-Lune est une curiosité car, par certains aspects, on peut en parler comme d'une planète double. Les lunes en orbite autour des planètes ardentes chères à André Brahic sont en effet bien moins massives que Jupiter, Saturne ou Neptune. La formation d'une telle planète double a représenté un véritable casse-tête pour les planétologues et même si l'on commence à y voir plus clair, il reste encore beaucoup de travail avant de vraiment comprendre d'où vient notre Lune.

L'hypothèse la plus vraisemblable est qu'elle provient des restes d'une collision entre la Terre et une planète de la taille de Mars il y a plus de 4 milliards d'années. Baptisée Théia, cette planète serait entrée en collision tangentiellement avec la Terre, arrachant une partie de sa croûte et de son manteau. Une grande partie des matériaux produits par cette collision aurait été éjectée dans l'espace mais une autre aurait fini par se refroidir et se condenser pour donner notre satellite et peut-être une autre petite lune qui aurait fini par entrer en collision avec la première. Cela expliquerait l'énigme de la face cachée de la Lune.

Lors des analyses spectroscopiques de la composition de la surface de la naine blanche NLTT 43806 à l'aide des instruments du télescope Keck I à Hawaï, les astrophysiciens ont fait une découverte qui les a laissés perplexes. Elle les a conduits à faire le rapprochement entre leurs observations et l'hypothétique collision entre la Terre et Théia.

La naine blanche NLTT 43806 se trouve au centre de cette image. © Sloan Digital Sky Survey

En effet, la composition de surface de la naine blanche montrait une grande quantité d'aluminium, dans une proportion supérieure à celle du fer. Or cette proportion ne devrait pas être possible selon la théorie de la nucléosynthèse des éléments lourds dans les étoiles qui prédit que le fer doit être plus abondant que l'aluminium dans les nuages interstellaires où naissent les étoiles (d'un facteur 10 environ). Une prédiction toujours confirmée par les observations, même pour la composition de surface des naines blanches.

Une collision il y a moins de 50 millions d'années

Par contre, si l'on prend le cas de la Terre, on observe que l'aluminium est bien plus abondant que le fer dans la croûte. D'ailleurs, l'aluminium occupe le troisième rang pour sa composition, derrière l'oxygène et le silicium des silicates. Comme on le sait, le fer est très largement dominant dans le noyau.

Dans un article donné en lien ci-dessous, les chercheurs expliquent également avoir trouvé d'autres éléments sur NLTT 43806, présents en quantités anormalement élevées. Tout se passe comme s'il y avait eu un apport de matériaux sur la naine blanche dont la composition serait identique à un mélange constitué à 30 % de roches de la croûte de la Terre avec 70 % de roches du manteau.

Immédiatement, une hypothèse s'impose à l'esprit, faisant intervenir des exoplanètes.

Si une exoterre et une exothéia sont entrées en collision il y a peu, de façon similaire à ce qui s'est produit avec la Terre, une partie des matériaux éjectés serait en ce moment même en train de « pleuvoir » sur la surface de NLTT 43806. Selon les estimations, la collision se serait produite il y a 50 millions d'années tout au plus, sans quoi, les matériaux accrétés se seraient déjà enfoncés à l'intérieur de la naine blanche.

Pour Benjamin Zuckerman, astronome à l'université de Californie, Los Angeles, un test de cette théorie est possible. Il suffit de mesurer exactement la quantité de potassium et de manganèse présente sur la naine blanche. On saura alors faire la différence avec une simple collision d'astéroïde avec NLTT 43806.

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