On avait des indices de la présence d'exoplanètes autour des naines blanches voilà déjà plus d'une décennie. Aujourd'hui, on dispose d'indices suggérant même la présence d'exoplanètes dans la zone d'habitabilité de ces étoiles mortes.

Il y a plus d'une décennie, en 2009, comme l'expliquait un des précédents articles de Futura ci-dessous, Jay Farihi, alors post-doc en astrophysiqueastrophysique à l'université de Leicester en Grande-Bretagne, annonçait avec des collègues, dans un article, que des observations dans l'infrarougeinfrarouge, menées avec le désormais défunt télescope spatial Spitzer, avaient mis en évidence des disques de poussières autour de naines blanchesnaines blanches.

Ces astrophysiciensastrophysiciens en avaient tiré la conclusion que ces disques démontraient indirectement l'existence de planètes géantesplanètes géantes gazeuses autour d'une petite proportion de la population des naines blanches, et probablement aussi de planètes telluriquesplanètes telluriques. De fait, une géante gazeuse a bien été découverte en orbiteorbite très rapprochée autour de la naine blanche WD 1856+534. L'exoplanète en question, WD 1856b, semblait même dans la zone habitable autour de la naine blanche mais cela a été totalement remis en question depuis, de sorte que l'on ne connaissait plus d'exemple de ce genre.

Rappelons que les naines blanches sont le produit de l'évolution finale des étoilesétoiles de moins de 8 massesmasses solaires ayant épuisé leur carburant thermonucléaire et qui vont donc se contracter, faute de pressionpression de rayonnement fourni par les réactions de fusionfusion libérant de l'énergieénergie lumineuse.

L'étoile ne subsiste plus que parce que les électronsélectrons libres y deviennent un gazgaz quantique de fermionsfermions, dit dégénéré, avec une pression s'opposant à la contraction en trou noirtrou noir de l'étoile tant que sa masse est inférieure à la fameuse limite de Chandrasekhar qui est d'environ 1,4 masse solaire (les étoiles de plusieurs masses solaires perdent une partie de leur masse à cause d'instabilités éjectant de la matièrematière en fin de vie).

 

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

Notre SoleilSoleil deviendra une naine blanche et il rassemblera l'essentiel de sa masse actuelle dans un astreastre compact de la taille de la Terre. Sa surface sera plus chaude mais aussi plus petite, de sorte qu'au final sa luminositéluminosité sera telle que la zone d'habitabilitézone d'habitabilité dans laquelle de l'eau liquideliquide pourrait exister à la surface d'une planète sera considérablement plus rapprochée que celle actuelle.

Des anneaux de corps irréguliers et poussiéreux de la taille de la Lune

Jay Farihi et ses collègues viennent de publier un autre article dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, que l'on peut aussi consulter sur arXiv, qui fait état d'une autre découverte autour d'une naine blanche : WD1054-226. L'astre observable est une petite constellationconstellation de l'hémisphère sudhémisphère sud, La Coupe, et il est situé à environ 117 années-lumièreannées-lumière du Soleil.

Les chercheurs l'ont observé pendant 18 nuits à l'aide de la caméra haute vitessevitesse Ultracam équipant le New Technology Telescope (NTT) de l'ESO, à La Silla, au Chili. L'analyse des données collectées a également mis à contribution celles du satellite d'étude des exoplanètesexoplanètes en transittransit (TessTess) de la NasaNasa.

Les astrophysiciens ont alors été surpris de découvrir des creux dans la courbe de lumière de l'étoile indiquant des transits de 65 nuagesnuages de débris planétaires bloquant partiellement, toutes les 23 minutes, la lumière de WD1054-226 et sur une période orbitalepériode orbitale complète de 25 heures.

Vue d'artiste de l'étoile naine blanche WD1054–226 avec en orbite autour des nuages ​​de débris planétaires et une possible exoplanète majeure dans la zone habitable. © Mark A. Garlick, markgarlick.com
Vue d'artiste de l'étoile naine blanche WD1054–226 avec en orbite autour des nuages ​​de débris planétaires et une possible exoplanète majeure dans la zone habitable. © Mark A. Garlick, markgarlick.com

Ces nuages de débris ont la taille de la LuneLune et d'après des considérations de mécanique céleste, une structure aussi ordonnée ne peut exister et maintenir une certaine stabilité que s'il existe une exoplanète dans la zone d'habitabilité de la naine blanche. On connaît dans le Système solaire l'exemple des lunes des géantes qui confinent et stabilisent des anneaux de poussières. On parle dans le cas de SaturneSaturne de satellites bergers. Si cette conclusion s'avérait robuste et confirmée dans les années qui viennent, nous serions donc en présence de la première exoplanète dans une telle configuration. Comme elle a été trouvée très proche du Système solaire dans la Voie lactéeVoie lactée, il existerait donc beaucoup d'autres exoplanètes dans la zone d'habitabilité dans notre GalaxieGalaxie.

En tout état de cause, du fait de la luminosité de la naine blanche, cette zone d'habitabilité se trouve dans une région que devait autrefois occuper l'étoile encore sur la séquence principale, de sorte que la matière présente doit provenir de processus de migration qui ont conduit des corps célestes de l'ancien système planétaire à se rapprocher considérablement de l'étoile défunte.

L'exoplanète qui devrait exister pour rendre compte des anneaux de matière représentés sur la vue d'artiste, ci-dessus, devrait rester dans la zone d'habitabilité de l'étoile pendant deux milliards d'années, au moins encore dans le prochain milliard d'années, selon le communiqué de l'University College London.

En poste dans cette Université, Jay Farihi y explique que : « Puisque notre Soleil deviendra une naine blanche dans quelques milliards d'années, notre étude donne un aperçu de l'avenir de notre propre Système solaire. Et il ajoute : Cette existence possible d'une planète dans la zone habitable est passionnante et aussi inattendue ; nous ne cherchions pas à la démontrer. Cependant, il est important de garder à l'esprit que davantage de preuves sont nécessaires pour confirmer sa présence. Nous ne pouvons pas l'observer directement, donc la confirmation pourra venir en comparant les modèles informatiques avec d'autres observations de l'étoile et des débris en orbite. »

 


Surprise ! Une exoplanète géante dans la zone d'habitabilité d'une naine blanche

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 16/09/2020

Le télescope Tess a fait une découverte spectaculaire, celle d'une géante gazeuse en orbite tellement rapprochée autour d'une naine blanche qu'elle se retrouve dans sa zone d'habitabilité. Voilà de quoi envisager le destin futur du Système solaire et repousser les limites de l'exobiologieexobiologie.

Dans cette illustration, WD 1856b, une planète géante, tourne autour de son étoile naine blanche tous les jours et demi. © <em>Nasa's Goddard Space Flight Center</em>
Dans cette illustration, WD 1856b, une planète géante, tourne autour de son étoile naine blanche tous les jours et demi. © Nasa's Goddard Space Flight Center

Depuis un peu plus de deux siècles, la physiquephysique et la chimie n'ont pu se constituer comme sciences, de la thermodynamiquethermodynamique à l'optique en passant par celles de l'électricité et du magnétismemagnétisme (tout étudiant doit absolument lire à ce sujet le livre du prix Nobel Max Born), que parce qu'il était possible d'expérimenter en laboratoire en faisant varier les paramètres des expériences un par un.

Il n'est évidemment pas possible de faire la même chose en astrophysique mais heureusement, les centaines de milliards d'étoiles dans la Voie lactée et les centaines de milliards de galaxies dans l'UniversUnivers observable sont des immenses laboratoires naturels où le cosmos fait pour nous toutes les expériences possibles. Il est donc possible de tester nos idées sur la cosmogonie du Système solaire et d'assister au décès de notre Soleil et de son cortège planétaire, si l'on peut dire. On vient d'en avoir une nouvelle preuve comme l'explique une publication dans la revue Nature, fruit du travail de plusieurs astrophysiciens ayant utilisé divers yeuxyeux de la noosphère dont le satellite Transiting Exoplanet Survey Satellite, le Tess de la Nasa, et le mythique Spitzer, avant sa fin de mission définitive en janvier 2020.

Tess a permis de découvrir par la méthode des transits une exoplanète autour de l'étoile WD 1856 + 534. Bien que pas totalement surprenante, l'existence de cette exoplanète baptisée WD 1856b s'est révélée suffisamment remarquable pour qu'elle soit étudiée de plus près avec le Télescope Gemini North et son miroirmiroir de 8,1 mètres situé sur le Mauna Kea (Hawaii). Les études ont alors été faites dans le proche infrarouge.


Le Transiting Exoplanet Survey Satellite (Tess) de la Nasa est le successeur du satellite Kepler, comme lui, un chasseur d'exoplanètes. Voici une de ces dernières découvertes avec l'aide du télescope Spitzer. 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 Goddard

Une étoile de la taille de la Terre avec une planète aussi grande que Jupiter

Il se trouve que WD 1856+534 est une naine blanche, donc une étoile dont la masse est de l'ordre de grandeurordre de grandeur de celle du Soleil mais dont la taille est celle de la Terre. C'est le destin de toutes les naines rougesnaines rouges, et de toutes les naines jaunesnaines jaunes comme le Soleil, de devenir ce cadavre stellaire où toutes les réactions thermonucléaires ont cessé après être passées par le stade de géante rouge.

D'ici 5 à 7 milliards d'années, c'est ce qui arrivera au Soleil qui se mettra non seulement à gonfler pour englober au moins l'orbite de VénusVénus -- et peut-être jusqu'à celle de la Terre -- mais perdra aussi de la masse sous forme de ventsvents stellaires violents. On ne sait donc pas bien non seulement si la Terre survivra et surtout dans quel état. On s'interroge aussi sur le destin des géantes gazeuses et de glace comme JupiterJupiter et NeptuneNeptune.

Justement, WD 1856b est une géante et sa masse est estimée à environ 13,8 masses de Jupiter tout au plus. En outre, elle tourne autour de son étoile tous les 1,4 jour. Clairement, non seulement l'exoplanète a migré pour être aussi proche, mais elle est en mesure de survivre aux forces de maréeforces de marée de WD 1856 + 534. Quant à sa température de surface, elle est de l'ordre de 17 °C, ce qui est similaire à la température moyenne de la Terre. Ce qui veut dire que la géante est dans la zone d'habitabilité de la naine -- rappelons que la notion de zone d'habitabilité est à manier avec précaution comme l'expliquait à Futura l'astrophysicien Franck Selsis.

Une exolune habitable ?

Voila donc le destin possible des géantes du Système solaire et on peut s'amuser à spéculer sur l’habitabilité d’une éventuelle exolune autour de WD 1856b, par exemple l'équivalent d'une Europe avec sa banquisebanquise qui aurait fondu et un océan global qui aurait survécu avec peut-être des formes de vie.

Ce qui est sûr, c'est que c'est la première fois que l'on découvre une exoplanète géante autour d'une naine blanche (à moins que ce ne soit une naine brunenaine brune, sa masse n'est vraiment pas loin de la masse limite de ces astres) ; ce qui prouve aussi qu'un tel astre peut survivre à une migration planétaire très proche d'une naine blanche au point d'être dans la zone d'habitabilité. Auparavant, on n'avait que des indications indirectes, comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous, et surtout concernant l'existence de disque de poussières pouvant trahir la présence d'une exoplanète rocheuse ayant fini par être détruite en s'approchant trop près de sa naine blanche, là aussi à la suite d'une migration planétaire.


Il y a bien des planètes autour des naines blanches

Article de Laurent Sacco publié le 21/04/2009

Les disques de poussières entourant des naines blanches trahissent l'existence de systèmes planétaires anciens. Une équipe d'astronomesastronomes vient de renforcer cette affirmation. Ces disques démontreraient indirectement l'existence de planètes géantes gazeuses autour d'une petite proportion de la population des naines blanches, et probablement aussi de planètes telluriques.

Jay Farihi est un post-doc en astrophysique à l'université de Leicester, en Grande-Bretagne. Comme sa page personnelle l'indique, il se passionne pour la physique des naines blanches et le destin ultime des systèmes planétaires. Avec ses collègues Michael Jura et Ben Zuckerman, il vient de publier un article (sur Arxive) venant confirmer des conclusions tirées de l'étude en infrarouge de l'environnement proche de certaines naines blanches, celles issus d'étoiles de type A à F sur la séquence principale du diagramme de Hertzsprung-Russelldiagramme de Hertzsprung-Russell.

L'idée initiale était que si des petits corps célestes comme des astéroïdesastéroïdes étaient soumis aux forces de marée puissantes des naines blanches, leur mise en pièces inéluctable générerait un disque de poussières facilement détectable avec le télescope en orbite observant dans l'infrarouge, Spitzer.

Les naines blanches, dont la masse ne peut dépasser 1,4 fois celle du Soleil d'après les travaux du grand astrophysicien Chandrasekhar, sont le produit final de l'évolution de 90% environ des étoiles. Leur faible diamètre, de l'ordre de celui de la Terre, rend ces astres peu lumineux mais les dote d'un champ de gravitationgravitation intense jusqu'à quelques centaines de milliers de kilomètres.

 La présence d'un disque de poussières autour d'une naine blanche modifie le spectre (en bleu) de sa lumière. Un spectre de corps noir décalé vers les grandes longueurs d'onde (en rouge) se superpose à celui de la naine blanche. © Nasa / JPL-Caltech / <em>University of Leicester</em>
La présence d'un disque de poussières autour d'une naine blanche modifie le spectre (en bleu) de sa lumière. Un spectre de corps noir décalé vers les grandes longueurs d'onde (en rouge) se superpose à celui de la naine blanche. © Nasa / JPL-Caltech / University of Leicester

Un astéroïde passant à une distance de cet ordre sera rapidement disloqué, formant un disque de poussières important. Du fait de la faible luminosité des naines blanches, ce disque devrait être plutôt facile à observer et il s'agit donc d'un bon moyen pour estimer à quel point des systèmes planétaires sont présents dans la Galaxie.

Entre 1 et 3% des naines blanches de type A à F possèderaient des planètes

Si des astéroïdes sont présents, il semble inévitable que des planètes telluriques aient pu se former dans le passé  par des processus d'accrétionaccrétion à partir de ces petits corps célestes. En outre, les calculs de mécanique céleste le montrent, il est bien plus probable que ces astéroïdes s'aventurent dans la zone de Roche des naines blanches si des planètes géantes sont présentes plutôt que de modestes exoterresexoterres.

Dans une étude précédente, Michael Jura et Ben Zuckerman avaient déjà découvert 8 naines blanches entourées de débris et d'un disque de poussières. Avec Jay Farihi, ils viennent donc de porter à 14 le nombre de naines blanches entourées d'un tel disque trahissant dans le domaine infrarouge la présence de débris d'un ancien système planétaire. Statistiquement, cela signifie que de 1 à 3% des naines blanches de types A à F possèdent des exoplanètes. Celles-ci sont très probablement des géantes gazeuses, comme Jupiter et Saturne.