Des télescopes avancés révèlent des mondes cachés en orbite autour d’étoiles brillantes

Les astronomes ont combiné les données Gaia et GRAVITY pour imager des objets sombres à proximité d’étoiles brillantes, révolutionnant potentiellement la recherche d’exoplanètes à proximité.

Détecter des objets faibles à proximité d’étoiles brillantes est incroyablement difficile. Pourtant, en combinant les données du télescope spatial Gaia de l'ESA avec ESOAvec l'instrument GRAVITY au sol, c'est exactement ce que les scientifiques ont réussi à faire. Ils ont capturé les premiers signaux lumineux de compagnons inédits de huit étoiles lumineuses. La technique ouvre la possibilité alléchante de capturer des images de planètes en orbite proche de leurs étoiles hôtes.

Des scientifiques repèrent les compagnons cachés des étoiles brillantes

Avez-vous déjà essayé de prendre une photo d’une luciole à côté d’un lampadaire lumineux ? Il y a de fortes chances que tout ce que vous verrez sur votre photo soit l’éblouissement du lampadaire. C’est le même problème auquel sont confrontés les astronomes qui recherchent des étoiles ou des planètes faibles, petites, à côté d’une étoile brillante.

Pour résoudre ce problème, une équipe internationale d'astronomes dirigée par Thomas Winterhalder, scientifique à l'Observatoire européen austral (ESO), a commencé par parcourir le catalogue produit par Gaia, qui répertorie des centaines de milliers d'étoiles soupçonnées d'avoir un compagnon. Bien que les objets compagnons ne soient pas assez brillants pour être vus directement par Gaia, leur présence entraîne de minuscules oscillations sur la trajectoire des étoiles hôtes les plus lumineuses (voir l'image ci-dessous), que seul Gaia peut mesurer.

Dans le catalogue d'orbites stellaires de Gaia, l'équipe a identifié huit étoiles qui seront ciblées par GRAVITY, l'interféromètre avancé proche infrarouge du Très grand télescope de l'ESO, au Cerro Paranal au Chili. GRAVITY combine la lumière infrarouge de différents télescopes pour capter de minuscules détails dans des objets faibles, selon une technique appelée interférométrie.

L'astrométrie est la méthode qui permet de détecter le mouvement d'une étoile en effectuant des mesures précises de sa position dans le ciel. Cette technique peut également être utilisée pour identifier les planètes autour d'une étoile en mesurant de minuscules changements dans la position de l'étoile lorsqu'elle vacille autour du centre de masse du système planétaire. Crédit : ESA

Découvertes révolutionnaires

Grâce à l'œil particulièrement aiguisé et sensible de GRAVITY, l'équipe a capté le signal lumineux des huit compagnons prédits, dont sept étaient auparavant inconnus. Trois des compagnons sont des étoiles très petites et faibles, tandis que les cinq autres sont naines brunes. Ce sont des objets célestes situés entre les planètes et les étoiles : plus massifs que la plus lourde des planètes mais plus légers et plus pâles que la plus légère des étoiles.

L’une des naines brunes repérées dans cette étude orbite autour de son étoile hôte à la même distance que la Terre et le Soleil. C'est la première fois qu'une naine brune aussi proche de son étoile hôte peut être directement capturée.

Impression d'artiste du satellite Gaia de l'ESA observant la Voie lactée. L’image d’arrière-plan du ciel est compilée à partir des données de plus de 1,8 milliard d’étoiles. Il montre la luminosité et la couleur totales des étoiles observées par Gaia, publiées dans le cadre de la première version de données 3 de Gaia (Gaia EDR3) en décembre 2020. Crédit : Vaisseau spatial : médialab ESA/ATG ; Voie Lactée : ESA/Gaia/DPAC ; CC BY-SA 3.0 IGO. Remerciements : A. Moitinho

Collaboration améliorée en matière de recherche spatiale

« Nous avons démontré qu'il est possible de capturer une image d'un compagnon faible, même lorsqu'il orbite très près de son hôte brillant », explique Thomas. « Cette réalisation met en évidence la remarquable synergie entre Gaia et GRAVITY. Seul Gaia peut identifier des systèmes aussi étroits hébergeant une étoile et un compagnon « caché », puis GRAVITY peut prendre le relais pour imager l'objet plus petit et plus faible avec une image sans précédent. précision.»

Dans une étude antérieure, les astronomes ont utilisé les données de Gaia et un autre observatoire au sol pour capturer l'image d'un gaz géant. exoplanète. Cette planète orbite autour de son étoile hôte à environ 17 fois la distance entre la Terre et le Soleil, traçant dans le ciel un angle considérablement plus large que la séparation typique des compagnons imagés par GRAVITY dans ce nouveau résultat.

Les petits compagnons déduits des observations de Gaia se trouvent généralement à de minuscules angles de séparation de quelques dizaines de milliarcsecondes, soit à peu près la taille d'une pièce d'un euro vue à 100 km de distance.

« Dans nos observations, les données Gaia agissent comme une sorte de panneau indicateur », poursuit Thomas. « La partie du ciel que nous pouvons voir avec GRAVITY est très petite, nous devons donc savoir où regarder. Les mesures précises sans précédent des mouvements et des positions des étoiles de Gaia sont essentielles pour orienter notre instrument dans la bonne direction dans le ciel.

Équipe de rêve

La complémentarité de Gaia et GRAVITY va au-delà de l'utilisation des données de Gaia pour planifier des observations de suivi et permettre des détections. En combinant les deux ensembles de données, les scientifiques ont pu « peser » les objets célestes individuels séparément et distinguer la masse de l'étoile hôte et de son compagnon respectif.

GRAVITY a également mesuré le contraste entre l’étoile compagnon et l’étoile hôte sur une gamme de longueurs d’onde dans l’infrarouge. Combinées aux estimations de la masse, ces connaissances ont permis à l'équipe d'évaluer l'âge des compagnons. Étonnamment, deux des naines brunes se sont révélées moins lumineuses que ce à quoi on pourrait s’attendre compte tenu de leur taille et de leur âge. Une explication possible à cela pourrait être que les nains eux-mêmes ont un compagnon encore plus petit.

Plus de 5 000 exoplanètes ont été découvertes à ce jour, mais à quoi ressemblent-elles ? Les missions exoplanétaires dédiées de l'ESA, Cheops, Plato et Ariel, sont en quête de découverte. Crédit : ESA

À la chasse aux exoplanètes

Après avoir démontré la puissance de l’ensemble Gaia-GRAVITY, les scientifiques s’attendent désormais à retrouver d’éventuelles planètes compagnes des étoiles répertoriées dans le catalogue Gaia.

« La capacité de détecter les minuscules mouvements de paires proches dans le ciel est unique à la mission Gaia. Le prochain catalogue, qui sera disponible dans le cadre de la quatrième publication de données (DR4), contiendra une collection encore plus riche d'étoiles avec des compagnons potentiellement plus petits », remarque Johannes Sahlmann, scientifique Gaia de l'ESA. « Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives dans la chasse aux planètes de notre galaxie et nous promet un aperçu de nouveaux mondes lointains. »