Cette vue d'artiste montre la formation d'une planète géante gazeuse noyée dans le disque de poussière et de gaz dans l'anneau de poussière autour d'une jeune étoile. Une étude de l'Université du Michigan, dirigée par l'astronome de l'UM Gabriele Cugno, a dirigé le télescope spatial James Webb vers un disque protoplanétaire entourant une protoétoile appelée SAO 206462, dans l'espoir de trouver une planète géante gazeuse en train de se former.
Les planètes se forment dans des disques de poussière et de gaz appelés disques protoplanétaires qui tournent autour d'une protoétoile centrale lors de son assemblage final.
Bien que plusieurs dizaines de disques de ce type aient été photographiés, seules deux planètes ont été capturées jusqu’à présent en train de se former. Désormais, les astronomes orientent les puissants instruments à bord du Télescope spatial James Webb sur les disques protoplanétaires pour tenter de trouver des indices précoces sur la manière dont les planètes se forment et sur la manière dont ces planètes influencent leur disque natal.
Un trio d'études mené par l'Université du Michigan, l'Université de l'Arizona et l'Université de Victoria a combiné les images de JWST avec des observations antérieures faites par le Le télescope spatial Hubble et l'Atacama Large Millimeter Array, ou ALMA, au Chili. Sur la base des observations auxiliaires, l'équipe a utilisé JWST pour observer les disques protoplanétaires HL Tau, SAO 206462 et MWC 758 dans l'espoir de détecter les planètes susceptibles de se former.
Dans les journaux publiés dans Le Journal Astronomique, les chercheurs ont reconstitué des interactions inédites entre le disque de formation des planètes et l'enveloppe de gaz et de poussière entourant les jeunes étoiles au centre des disques protoplanétaires.
Pour attraper une planète
L'étude de l'UM, dirigée par l'astronome de l'UM Gabriele Cugno, a dirigé le JWST vers un disque entourant une protoétoile appelée SAO 206462. Là, les chercheurs ont potentiellement trouvé une planète candidate en train de se former dans un disque protoplanétaire, mais ce n'était pas la planète qu'ils avaient étudiée. s'attend à trouver.
« Plusieurs simulations suggèrent que la planète devrait être à l’intérieur du disque, massive, grande, chaude et brillante. Mais nous ne l'avons pas trouvé. Cela signifie que soit la planète est beaucoup plus froide que nous le pensons, soit elle peut être obscurcie par des éléments qui nous empêchent de la voir », a déclaré Cugno, également co-auteur des trois articles. « Ce que nous avons trouvé est une planète candidate différente, mais nous ne pouvons pas dire avec 100 % de certitude s'il s'agit d'une planète ou d'une étoile ou d'une galaxie en arrière-plan faible contaminant notre image. Les observations futures nous aideront à comprendre exactement ce que nous observons. »
Les astronomes ont déjà observé le disque, notamment avec le télescope spatial Hubble, le télescope Subaru, le Très grand télescope et ALMA. Ces observations montrent un disque composé de deux fortes spirales, probablement lancées par une planète en formation. La planète que l'équipe UM s'attendait à trouver est un type appelé géante gazeuse, des planètes composées principalement d'hydrogène et d'hélium, semblables à Jupiter dans notre propre système solaire.
Deux bras spiraux émergent du disque riche en gaz autour de SAO 206462, une jeune étoile de la constellation du Lupus. Cette image, acquise par le télescope Subaru et son instrument HiCIAO, est la première à montrer des bras spiraux dans un disque circumstellaire. L'image retrace la lumière émise par l'étoile et diffusée à la surface du disque. Le disque lui-même mesure environ 14 milliards de kilomètres de diamètre, soit environ deux fois la taille de l'orbite de Pluton dans notre propre système solaire. Crédit : NAOJ/Subaru
« Le problème est que tout ce que nous essayons de détecter est des centaines de milliers, voire des millions de fois plus faible que l'étoile », a déclaré Cugno. « C'est comme essayer de détecter une petite ampoule à côté d'un phare. »
Pour examiner de plus près le disque, l’équipe a utilisé un instrument sur JWST appelé NIRCam. NIRCam détecte la lumière infrarouge et les astronomes ont utilisé l'instrument en utilisant une technique appelée imagerie différentielle angulaire. Cette technique peut être utilisée pour détecter à la fois le rayonnement thermique de la planète, comme l’équipe l’a fait pour détecter la planète candidate, et les raies d’émission spécifiques associées aux matériaux tombant sur la planète et frappant sa surface à grande vitesse.
« Lorsque un matériau tombe sur la planète, il heurte la surface et émet une raie d'émission à des longueurs d'onde spécifiques », a déclaré Cugno. « Nous utilisons un ensemble de filtres à bande étroite pour tenter de détecter cette accrétion. Cela a déjà été réalisé depuis le sol aux longueurs d'onde optiques, mais c'est la première fois que cela est réalisé dans l'infrarouge avec JWST.
Imager la « matière première » des planètes
L'article de l'Université de Victoria, dirigé par Camryn Mullin, étudiante en astronomie, décrit des images du disque entourant la jeune étoile HL Tau.
« HL Tau est le système le plus jeune de notre étude, et il est toujours entouré d'un afflux dense de poussière et de gaz tombant sur le disque », a déclaré Mullin, co-auteur des trois études. « Nous avons été étonnés par le niveau de détail avec lequel nous avons pu voir ce matériau environnant avec JWST, mais malheureusement, cela obscurcit tout signal provenant de planètes potentielles. »
Le disque de HL Tau est connu pour avoir plusieurs anneaux et lacunes à l'échelle du système solaire qui pourraient abriter des planètes.
« Bien qu'il existe une tonne de preuves de la formation continue des planètes, HL Tau est trop jeune et il y a trop de poussière pour voir les planètes directement », a déclaré Jarron Leisenring, chercheur principal de la campagne d'observation visant à rechercher des planètes en formation et astronome à l'Université. de l'Observatoire Arizona Steward. « Nous avons déjà commencé à examiner d'autres jeunes systèmes comportant des planètes connues pour nous aider à dresser un tableau plus complet. »
Cependant, à la surprise de l'équipe, JWST a révélé des détails inattendus sur une caractéristique différente : l'enveloppe protostellaire, qui est essentiellement un afflux dense de poussière et de gaz entourant la jeune étoile qui commence tout juste à fusionner, selon Leisenring. Sous l’influence de la gravité, la matière du milieu interstellaire tombe vers l’intérieur de l’étoile et du disque, où elle sert de matière première aux planètes et à leurs précurseurs.
L'étude de l'UArizona, dirigée par Kevin Wagner, un NASA Hubble/Sagan Fellow de l'UArizona Steward Observatory a examiné le disque protoplanétaire de MWC 758. Semblable à SAO 206462, des observations précédentes de l'équipe dirigée par l'UArizona ont révélé la formation de bras spiraux dans le disque, faisant allusion à une planète massive en orbite autour de son étoile hôte.
Bien qu'aucune nouvelle planète n'ait été détectée dans le disque lors des observations les plus récentes, la sensibilité est révolutionnaire, affirment les chercheurs, car elle leur permet d'imposer les contraintes les plus strictes à ce jour sur les planètes suspectes. D’une part, les résultats excluent l’existence de planètes supplémentaires dans les régions extérieures du MWC 758, ce qui concorde avec l’hypothèse d’une seule planète géante entraînant les bras spiraux.
« L'absence de planètes détectées dans les trois systèmes nous indique que les planètes à l'origine des écarts et des bras spiraux sont soit trop proches de leurs étoiles hôtes, soit trop faibles pour être vues avec JWST », a déclaré Wagner, co-auteur des trois études. . « Si cette dernière hypothèse est vraie, cela nous indique qu'ils sont de masse relativement faible, à basse température, enveloppés de poussière ou une combinaison des trois, comme c'est probablement le cas dans le MWC 758. »
La recherche de planètes en formation se poursuit
Il est important de capturer des planètes en train de se former, car les astronomes peuvent glaner des informations non seulement sur le processus de formation, mais également sur la manière dont les éléments chimiques sont distribués dans un système planétaire.
« Seulement 15 % environ des étoiles comme le Soleil possèdent des planètes comme Jupiter. Il est vraiment important de comprendre comment ils se forment et évoluent, et d'affiner nos théories », a déclaré Michael Meyer, astronome de l'UM et coauteur des trois études. « Certains astronomes pensent que ces planètes géantes gazeuses régulent l'apport d'eau aux planètes rocheuses qui se forment à l'intérieur des disques. »
Savoir comment ces disques sont façonnés par les géantes gazeuses aidera les astronomes à comprendre les propriétés et l'évolution des disques protoplanétaires qui donneront plus tard naissance à des planètes rocheuses semblables à la Terre, a déclaré Meyer.
« Fondamentalement, dans chaque disque que nous avons observé avec une résolution et une sensibilité suffisamment élevées, nous avons vu de grandes structures comme des espaces, des anneaux et, dans le cas de SAO 206462, des spirales », a déclaré Cugno. « La plupart, sinon la totalité, de ces structures peuvent être expliquées par la formation de planètes interagissant avec le matériau du disque, mais il existe d’autres explications qui n’impliquent pas la présence de planètes géantes.
Si nous parvenons enfin à voir ces planètes, nous pourrons relier certaines structures à des compagnons de formation et relier les processus de formation aux propriétés d’autres systèmes à des stades beaucoup plus ultérieurs. Nous pouvons enfin relier les points et comprendre comment les planètes et les systèmes planétaires évoluent dans leur ensemble.
