Les naines brunes sont intermédiaires en masse entre les planètes géantes et les étoiles. Elles ont une masse typiquement comprise entre 13 et 80 fois celle de Jupiter, ce qui suffit pour déclencher la fusion du deutérium (absente dans les planètes comme Jupiter) mais pas pour initier la fusion de l'hydrogène (protium), ce qui définit les étoiles. © Nasa / JPL-Caltech

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La vitesse des vents d'une naine brune mesurée pour la première fois

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Si, sur Terre, les vents dépassent rarement les 300 km/h, ce n'est pas le cas sur tous les corps célestes. Une nouvelle étude, combinant observations dans l'infrarouge et dans le domaine radio, a permis de mesurer la vitesse du vent sur une naine brune et de déterminer qu'elle y atteint 2.300 km/h.

Les naines brunes sont des corps célestes intermédiaires en masse, entre les planètes géantes gazeuses (comme Jupiter) et les étoiles. Depuis le milieu des années 1990, plusieurs centaines de naines brunes ont été découvertes. Sur Terre ou tout autre corps ayant une surface solide bien identifiée, la vitesse du vent est mesurée par rapport à cette surface. Cependant, les planètes géantes gazeuses et les naines brunes sont composées presque entièrement de gaz, donc il faut utiliser une autre référence.

Dans les couches supérieures de ces corps, les différentes portions de gaz peuvent se déplacer indépendamment. Cependant, en profondeur, la pression est si importante que le gaz tourne d'un seul bloc. C'est la rotation de cette partie, que l'on considère comme l'intérieur de ces corps, qui sert de référence pour mesurer les vents en surface.

Vue d'artiste de 2MASS J10475385+2124234 montrant son champ magnétique et sa surface, qui ont été observés à différentes longueurs d'onde pour déterminer leur période de rotation et, par suite, la vitesse des vents en surface. © Bill Saxton, NRAO / AUI / NSF

De la théorie à la pratique

Dans un article publié dans Science, Katelyn N. Allers, Johanna M. Vos, Beth A. Biller et Peter K. G. Williams décrivent comment ils sont parvenus à mesurer la vitesse du vent sur une naine brune. L'objet étudié, 2MASS J10475385+2124234 (en abrégé 2MASS J1047+21), a une masse estimée entre 16 et 68 fois celle de Jupiter. Situé à 34 années-lumière de nous et d'une température de 600 °C, cet objet brille suffisamment en infrarouge pour que Spitzer, télescope spatial de la Nasa récemment retiré du service, détecte les variations de luminosité de la naine brune au cours de sa rotation. Ces variations permirent à Katelyn Allers et ses collègues de déterminer la période de rotation de la surface de l'objet : 1,741 ± 0,007 heure.

Pour déterminer la vitesse de l'intérieur de 2MASS J1047+21, les chercheurs se sont tournés vers son champ magnétique. Alors que la naine brune tourne, le champ magnétique accélère des particules chargées qui produisent alors des ondes radio que les chercheurs ont détectées avec les radiotélescopes du Karl G. Jansky Very Large Array, au Nouveau-Mexique (États-Unis). Ils ont alors pu déterminer que l'intérieur de la naine brune mettait entre 1,751 et 1,765 heure pour faire un tour sur lui-même.

La différence entre les deux périodes de rotation a permis de déterminer que les vents en surface de 2MASS J1047+21 soufflent vers l'est à une vitesse de 650 ± 310 m/s (2.340 ± 1.116 km/h). À titre de comparaison, les vents les plus rapides du système solaire se trouvent sur Neptune, où ils peuvent dépasser les 2.000 km/h.

Précédents historiques et validation de la méthode

Dans le passé, des scientifiques avaient déjà utilisé Spitzer pour déterminer la présence de vents et estimer leur vitesse sur des exoplanètes et des naines brunes à partir des variations de luminosité de leur atmosphère en infrarouge. Par ailleurs, des observations réalisées avec le spectrographe Harps, installé sur le télescope de 3,6 mètres de l'Observatoire européen austral, à La Silla (Chili), ont permis de mesurer directement la vitesse du vent sur une planète éloignée.

La différence est que, avec la technique de Katelyn Allers et ses collègues, on peut directement comparer la vitesse en surface et à l'intérieur du corps, alors que les méthodes précédentes ne disent rien sur les profondeurs des objets étudiés.

En utilisant des mesures de Jupiter similaires à celles de la naine brune et en les comparant avec des données plus détaillées recueillies grâce aux sondes spatiales, Kateryn Allers et ses collaborateurs ont pu confirmer la validité de leur méthode.

Une technique généralisable

La technique utilisée pour étudier 2MASS J1047+21 pourrait également servir pour en savoir plus sur l'atmosphère de planètes et d'autres corps dominés par le gaz en dehors de notre système solaire. « Nous pensons que cette technique pourrait être très utile pour donner un aperçu de la dynamique des atmosphères exoplanétaires, a déclaré Katelyn Allers. Ce qui est vraiment excitant, c'est de pouvoir apprendre comment la chimie, la dynamique atmosphérique et l'environnement autour d'un objet sont interconnectés, et la perspective d'avoir une vision vraiment complète de ces mondes. ».

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