Vue du W.M. Keck Observatory au sommet du Mauna Kea à Hawaï. © 2021 W. M. Keck Observatory
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La rotation des 4 super-Jupiter de ce système stellaire proche a été mesurée

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[EN VIDÉO] La vie et la mort d'une étoile et de ses planètes  Cette vidéo avec des animations retrace les grandes étapes de la naissance et de la vie d’une étoile similaire au Soleil, entourée d’un cortège planétaire jusqu’à sa mort, en reprenant justement le cas du Système solaire. On peut distinguer sept étapes déjà parcourues ou qui restent à parcourir dans son cas, comme le montrent les images de synthèse avec des commentaires en anglais. 

Il y a plus d'une décennie, des astronomes québécois obtenaient les premières images directes d'exoplanètes autour d'une étoile sur la séquence principale : HR 8799. Leurs collègues ont obtenu des estimations des vitesses de rotation propres de ces exoplanètes pour la première fois, ce qui ouvre des perspectives sur leur formation.

Il y a plus de deux siècles, le fait que les planètes du Système solaire soient toutes en orbite autour du Soleil dans des plans orbitaux très peu inclinés les uns par rapport aux autres et qu'elles tournent toutes dans le même sens avait été un indicateur précieux pour découvrir la théorie de la nébuleuse protosolaire de Kant-Laplace. Le philosophe et l'astronome, mathématicien et physicien, en avait déduit que la cosmogonie planétaire reposait sur l'existence initiale d'un nuage de matière en rotation et s'effondrant gravitationnellement. La force centrifuge perpendiculaire à l'axe de rotation du nuage s'opposant à cet effondrement, celui-ci avait fini par adopter la forme d'un disque avec au centre un proto-Soleil sphérique. D'une façon ou d'une autre, les planètes naissaient ensuite à l'intérieur de ce disque.

Les cosmogonistes planétaires modernes sont intéressés par la compréhension de la naissance des exoplanètes et par la comparaison des mécanismes qui en sont responsables avec ceux que l'on pense connaître dans le cas du Système solaire, ce qui permet de se servir des informations et contraintes observationnelles dans chaque cas pour mieux comprendre l'autre.

En prenant la première photo d'un système exoplanétaire en 2008, trois astronomes québécois, René Doyon, David Lafrenière et Christian Marois, ont accompli un exploit qui a fait le tour du monde. © Radio-Canada

Des raies spectrales bavardes sur les exoplanètes

Une des informations concernant la genèse d'une planète se trouve dans sa rotation propre et pas seulement celle autour de son étoile hôte. C'est pourquoi les astronomes ont tenté de mesurer la rotation de certaines exoplanètes, et parfois avec succès il y a des années (lire notre précédent article ci-dessous). Un nouveau succès vient d'être annoncé, comme le prouve une publication d'une équipe internationale d'astronomes dans le fameux périodique Astronomical Journal.

L'article concerne un célèbre système planétaire dont quelques exoplanètes ont été les premières à être imagées directement et ce en 2008. Il s'agit de celui autour de HR 8799, une étoile variable de type K, située en direction de la constellation de Pégase à environ 130 années-lumière du Système solaire. Rappelons au passage que HD signifie que cette étoile est membre du catalogue Henry Draper (HD), un catalogue astronomique regroupant des données astrométriques et photométriques sur plus de 225.000 étoiles, nommé en l'honneur de Henry Draper (sa veuve avait financé la réalisation). Les étoiles contenues dans ce catalogue (qui couvre la totalité du ciel) sont de magnitude allant jusqu'à 9 ou 10, ce qui en fait des étoiles moyennes pour un télescope amateur et des étoiles brillantes dans un instrument professionnel.

Depuis 2008, les instruments pour la chasse aux exoplanètes et permettant de préciser leurs caractéristiques se sont affûtés. L'étude de HR 8799 avait été faite avec les télescopes du WM Keck Observatory et du Gemini North, tous deux situés sur le Mauna Kea à Hawaï. Le Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) permet de faire de la spectroscopie à haute résolution, de sorte que l'on peut maintenant non seulement étudier les décalages Doppler produits par les exoplanètes HR 8799 b, c, d et e sur la lumière de l'étoile HR 8799, ce qui donne des renseignements sur les masses de ces exoplanètes par la méthode des vitesses radiales (on sait donc que ces quatre corps célestes sont des géantes de type Jupiter voire super-Jupiter), mais aussi des effets d'élargissement sur des raies spectrales d'absorption en rapport avec la composition chimique des atmosphères des géantes gazeuses de HR 8799.

Les astrophysiciens ont donc fait coup double de cette façon, grâce au KPCI. Non seulement ils ont mis en évidence la présence de molécules d'eau et de monoxyde de carbone (CO) dans les atmosphères de certaines de ces exoplanètes, mais la largeur des raies leur a donné accès à la vitesse de rotation propre de ces astres (rappelons que l’élargissement des raies spectrales a plusieurs causes mais l’on peut séparer les effets de ces causes dans l’analyse des mesures).

Visualisation artistique des planètes en rotation de HR 8799 vues dans l'infrarouge. Les taches lumineuses correspondent à des trous dans les nuages ​​où les instruments peuvent détecter les profondeurs les plus chaudes de l'atmosphère des planètes. Chaque planète est étiquetée depuis en haut à gauche jusqu'en bas à droite, l'ordre alphabétique indiquant les distances croissantes à l'étoile. Parce que les orientations de leurs axes de rotation sont inconnues, ce n'est qu'une façon plausible de voir à quoi les planètes pourraient ressembler depuis la Terre. © Observatoire W. M. Keck, Adam Makarenko

Des rotations fossiles issues de la cosmogonie planétaire

Les chercheurs ont donc déterminé que les vitesses de rotation minimales des planètes HR 8799 d et e étaient de 10,1 km/s et 15 km/s, respectivement. Cela se traduit par une durée de jour qui peut être aussi courte que trois heures mais peut également aller jusqu'à 24 heures. Pourquoi une telle incertitude ? Tout simplement parce que l'effet d'élargissement mesuré est fonction aussi de l'inclinaison relative par rapport à l'observateur de l'axe des exoplanètes. Or nous ne savons pas sous quels angles les exoplanètes de HR 8799 sont actuellement observées.

C'est aussi pour cette raison que la vitesse de rotation, toujours en surface, de HR 8799 c est évaluée à 14 km/s tout au plus ; la mesure de la rotation de la HR 8799 b n'était pas concluante. Pour donner une comparaison, on peut rappeler qu'une journée sur Jupiter dure près de 10 heures, avec une vitesse de rotation d'environ 12,7 km/s.

Pour comprendre une des raisons pour laquelle les astrophysiciens sont demandeurs de données sur les rotations propres des exoplanètes, il faut parler d'une théorie du freinage de la rotation des étoiles à leur naissance, théorie que l'on a appliquée au Soleil.

Lors de l'effondrement du nuage protosolaire, la loi physique de la conservation du moment cinétique a imposé au proto-soleil de tourner de plus en plus rapidement sur lui-même au fur et à mesure qu'il se contractait et continuait à accréter de la matière. Un calcul naïf montre alors que le Soleil devrait conserver une vitesse de rotation fossile beaucoup plus importante que celle mesurée de nos jours. Pour expliquer ce désaccord, on fait appel au phénomène de freinage magnétique.

Le proto-soleil devait déjà posséder des lignes de champs magnétiques, or ces lignes s'étendaient dans la partie du disque chaud et partiellement ionisé autour de lui. La théorie de la magnétohydrodynamique des fluides chargés permettant de conclure que les lignes de champs sont en quelque sorte gelées dans le disque chaud, la rotation du proto-soleil devait se coupler à une rotation de la matière du disque qui au final va agir comme un frein (la situation est plus complexe que cela, avec des jets, mais on peut se limiter à cette considération).

Cet effet de freinage magnétique devait peut-être aussi s'appliquer aux jeunes exoplanètes géantes en formation. On peut contraindre cette théorie et ces effets justement en étudiant les vitesses de rotation des exoplanètes dans de nombreux systèmes planétaires. Nous ne sommes encore qu'au début de ces études et selon les chercheurs, les données concernant HR 8799 accréditent la théorie du freinage magnétique qui prévoit des vitesses limites de rotation. Mais il reste encore à accumuler de la statistique, comme le disent les scientifiques dans leur jargon, pour exploiter cette fenêtre d'observation des arcanes de la genèse des planètes.

Pour en savoir plus

Exoplanète : une journée dure huit heures sur Bêta Pictoris b

Article de l'ESO publié le 06/05/2014

Grâce au Very Large Telescope (VLT) de l'Eso, des chercheurs ont pu déterminer la vitesse de rotation de Bêta Pictoris b, une exoplanète située à 63 années-lumière de la Terre. Il est ainsi apparu qu'elle tournait à une vitesse bien plus élevée que notre planète.

Vue d’artiste de l’exoplanète Bêta Pictoris b. Les chercheurs ont montré que sa vitesse de rotation à l'équateur avoisinait les 100.000 km/h. Elle est donc 58 fois plus importante que celle de la Terre. © Eso

Située dans la constellation australe du Peintre à environ 63 années-lumière de la Terre, l'exoplanète Bêta Pictoris b est en rotation autour de Bêta Pictoris, une étoile entourée d'un disque géant de débris poussiéreux. Découverte il y a six ans environ, elle fut l'une des toutes premières exoplanètes à être détectées au moyen de l'imagerie directe. Elle est en orbite autour de son étoile hôte à une distance équivalant à huit fois la distance Terre-Soleil, ce qui en fait l'exoplanète la plus proche de son étoile à faire l'objet d'une imagerie directe.

C'est au moyen de l'instrument Crires qui équipe le VLT qu'une équipe d'astronomes néerlandais de l'université de Leyde et de l'Institut hollandais de recherche spatiale (Sron) a récemment déterminé la valeur de la vitesse de rotation équatoriale de Bêta Pictoris b : au moins 100.000 km/h. À titre de comparaison, la vitesse de Jupiter à l'équateur avoisine 47.000 km/h et celle de la Terre 1.700 km/h seulement. Ainsi, bien que Bêta Pictoris b soit 16 fois plus grande et 3.000 fois plus massive que la Terre, la durée du jour n'y excède pas huit heures.

Ce graphe montre les vitesses de rotation de plusieurs des planètes de notre Système solaire ainsi que celle de la planète Bêta Pictoris b dont la détermination est toute récente. Le nouveau résultat obtenu pour Bêta Pictoris b étend aux exoplanètes la relation entre masse et vitesse de rotation déduite de l'étude des planètes du Système solaire : plus une planète est massive, plus elle tourne vite. © Eso

« La raison pour laquelle certaines planètes sont animées d'une vitesse de rotation rapide et d'autres d'une vitesse de rotation plus lente est inconnue », confie Remco de Kok, auteur de l'étude. « Mais cette toute première mesure de la vitesse de rotation d'une exoplanète vient confirmer la tendance qui se dessine dans le Système solaire : les planètes les plus massives tournent plus rapidement. Et cela est également vrai pour les exoplanètes : il doit s'agir là d'une conséquence directe et universelle du processus de formation des planètes. »Bientôt une cartographie de Bêta Pictoris b ?Âgée de 20 millions d'années seulement, Bêta Pictoris b est une très jeune planète comparée à la Terre, formée voici 4,5 milliards d'années. Au fil du temps, elle se refroidira et se contractera, ce qui augmentera encore sa vitesse de rotation, une conséquence directe de la conservation du mouvement angulaire.

D'autres processus sont également susceptibles d'influer sur la rotation de la planète. À titre d'exemple, la vitesse de rotation de la Terre diminue lentement au fil du temps, en raison des interactions de marée avec notre Lune.Les astronomes ont utilisé une technique précise baptisée spectroscopie à haute dispersion pour séparer la lumière dans ses différentes couleurs ou longueurs d'onde du spectre. L'utilisation de l'effet Doppler, un décalage de longueur d'onde généré par l'approche ou l'éloignement des différentes zones de la planète, leur a permis d'établir la rotation différentielle de Bêta Pictoris b. L'élimination des effets parasites de l'étoile hôte, de brillance bien plus élevée, a ensuite permis d'extraire le signal de rotation en provenance de cette planète.

« Nous avons mesuré les longueurs d'onde du rayonnement issu de la planète avec une précision de 1 pour 100.000 afin de pouvoir mesurer la vitesse des objets émetteurs au moyen de l'effet Doppler, ajoute Ignas Snellen, le principal auteur de l'étude. Cette technique a révélé l'existence de portions de surface qui s'approchent ou s'éloignent de nous à des vitesses distinctes, ce qui signifie que l'étoile est en rotation autour de son axe. » Cette technique est étroitement liée à l'imagerie Doppler, dont l'utilisation a permis, des décennies durant, de cartographier les surfaces d'étoiles, et récemment celle de la naine brune Luhman 16B. Le fait que Bêta Pictoris b soit animée d'une vitesse de rotation élevée permettra prochainement aux scientifiques de dresser une cartographie globale de la planète, sur laquelle apparaîtront peut-être de vastes formations nuageuses ainsi que de grandes tempêtes.

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