Image d’une planète géante entraînant des bras spiraux dans un disque protoplanétaire à partir de simulations théoriques. Crédit : L. Krapp et K. Kratter, Université de l’Arizona
Des chercheurs de l’Université de l’Arizona ont découvert une jeune exoplanète qui pourrait faire la lumière sur ce phénomène et offrir un aperçu de la formation des planètes.
Illustrations du voie Lactée présentent un dessin en spirale de « bras » chargés d’étoiles qui rayonnent depuis le centre. Des formations comparables sont observées dans les masses tournantes de gaz et de poussière entourant certaines jeunes étoiles – des systèmes planétaires en devenir.
Ces disques protoplanétaires, qui servent de berceaux aux planètes nouveau-nées, intriguent les chercheurs car ils ouvrent une fenêtre sur les premiers stades de notre propre système solaire et sur la formation planétaire dans son ensemble. Pendant longtemps, les scientifiques ont spéculé que les bras spiraux de ces disques pourraient être causés par des planètes naissantes, mais aucun n’avait été détecté jusqu’à présent.
Dans un article publié dans Astronomie naturelledes chercheurs de l’Université de l’Arizona rapportent la découverte d’un géant exoplanète, baptisé MWC 758c, qui pourrait générer les bras spiraux de son système planétaire naissant. Les astronomes de l’UArizona proposent également des raisons pour lesquelles les scientifiques ont eu du mal à trouver cette planète dans le passé, ainsi que la manière dont leurs méthodes pourraient s’appliquer à la détection d’autres planètes cachées dans des circonstances similaires.
« Notre étude met en avant des preuves solides que ces bras spiraux sont causés par des planètes géantes », a déclaré Kevin Wagner, auteur principal de l’article et chercheur postdoctoral à l’UArizona Steward Observatory. « Et avec le nouveau Télescope spatial James Webbnous pourrons tester et soutenir davantage cette idée en recherchant davantage de planètes comme MWC 758c.
Le système planétaire MWC 758 observé par le grand interféromètre du télescope binoculaire (LBTI) aux longueurs d’onde infrarouges. Les simulations théoriques suggèrent que la planète « c » nouvellement découverte est probablement responsable de la configuration en spirale du disque de gaz et de poussière entourant la jeune étoile. Crédit : K. Wagner et al.
L’étoile de la planète est située à environ 500 années-lumière de la Terre et n’a que quelques millions d’années – un embryon comparé à notre propre soleil, âgé de 4,6 milliards d’années. Par conséquent, le système possède toujours un disque protoplanétaire, car il faut environ 10 millions d’années pour que les débris qui tournent en rond soient éjectés du système, ingérés par l’étoile ou transformés en planètes, lunes, astéroïdes et comètes. Le motif en spirale proéminent dans les débris de ce système a été découvert pour la première fois en 2013, et les astronomes n’ont pas tardé à souligner le lien avec les simulations théoriques de la formation de planètes géantes.
« Je considère ce système comme une analogie avec la façon dont notre propre système solaire serait apparu à moins de 1% de sa durée de vie », a déclaré Wagner. « Jupiterétant une planète géante, a probablement également interagi avec notre propre disque et l’a sculpté gravitationnellement il y a des milliards d’années, ce qui a finalement conduit à la formation de la Terre.
Les astronomes ont photographié la plupart des disques protoplanétaires des systèmes stellaires visibles à l’aide des télescopes actuels. Sur environ 30 disques identifiés, environ un tiers comportent des bras en spirale – des tourbillons proéminents à l’intérieur des particules de gaz et de poussière du disque.
« Les bras en spirale peuvent fournir des informations sur le processus de formation des planètes lui-même », a déclaré Wagner. « Notre observation de cette nouvelle planète conforte en outre l’idée selon laquelle des planètes géantes se forment très tôt, accumulant de la masse à partir de leur environnement de naissance, puis modifiant gravitationnellement l’environnement ultérieur pour que d’autres planètes plus petites se forment. »
Les bras en spirale sont générés en raison de l’attraction gravitationnelle du compagnon en orbite sur le matériau en orbite autour de l’étoile. En d’autres termes, la présence d’un compagnon massif, tel qu’une planète géante, devait déclencher la configuration en spirale du disque. Cependant, les tentatives précédentes visant à détecter la planète responsable se sont révélées vaines – jusqu’à présent.
Le grand télescope binoculaire en Arizona. L’instrument LBTI combine la lumière infrarouge des deux miroirs de 8,4 m pour imager les planètes et les disques autour des étoiles jeunes et proches. Crédit : D. Steele, Observatoire du grand télescope binoculaire
« La question reste ouverte de savoir pourquoi nous n’avons encore vu aucune de ces planètes », a déclaré Wagner. « La plupart des modèles de formation de planètes suggèrent que les planètes géantes devraient être très brillantes peu de temps après leur formation, et que de telles planètes auraient déjà dû être détectées. »
Les chercheurs de l’UArizona ont finalement pu détecter le MWC 758c en utilisant le Large Binocular Telescope Interferometer, ou LBTI, un instrument construit en UArizona reliant les deux miroirs primaires du télescope de 8,4 mètres qui peuvent observer à des longueurs d’onde plus longues dans la plage infrarouge moyenne, contrairement à la plupart des miroirs primaires de 8,4 mètres du télescope. d’autres instruments utilisés pour observer les exoplanètes à des longueurs d’onde plus courtes ou plus bleues. Selon Steve Ertel, co-auteur de l’article et scientifique principal de l’instrument du LBTI, l’instrument dispose d’une caméra capable de détecter la lumière infrarouge de la même manière que NASALe télescope spatial James Webb, ou JWST.
Même si l’on estime que l’exoplanète a au moins deux fois la masse de Jupiter, elle était invisible aux autres télescopes en raison de sa couleur rouge inattendue – la planète « la plus rouge » jamais découverte, a déclaré Ertel. Les longueurs d’onde plus longues et plus rouges sont plus difficiles à détecter que les longueurs d’onde plus courtes en raison de la lueur thermique de l’atmosphère terrestre et du télescope lui-même. Le LBTI fait partie des télescopes infrarouges les plus sensibles jamais construits et, en raison de sa plus grande taille, il peut même surpasser le JWST pour détecter des planètes très proches de leurs étoiles, comme le MWC 758c.
« Nous proposons deux modèles différents expliquant pourquoi cette planète est plus lumineuse à des longueurs d’onde plus longues », a déclaré Ertel. « Soit c’est une planète avec une température plus froide que prévu, soit c’est une planète qui est encore chaude depuis sa formation et qui se trouve être enveloppée de poussière. »
« S’il y a beaucoup de poussière autour de cette planète, la poussière absorbera des longueurs d’onde plus courtes ou une lumière plus bleue, ce qui fera apparaître la planète brillante uniquement à des longueurs d’onde plus longues et plus rouges », a déclaré la co-auteure Kaitlin Kratter, astrophysicienne théoricienne de l’UArizona. « Dans l’autre scénario, celui d’une planète plus froide entourée de moins de poussière, la planète est plus faible et émet plus de lumière sur des longueurs d’onde plus longues. »
Wagner a déclaré que de grandes quantités de poussière à proximité de la planète pourraient indiquer que la planète est encore en formation et qu’elle pourrait être en train de générer un système de lunes comme les lunes joviennes autour de Jupiter. D’un autre côté, si la planète suit le modèle le plus froid, il pourrait se passer quelque chose dans ces premiers systèmes stellaires qui entraînerait une formation de planètes plus froide que prévu, ce qui inciterait les planétologues à réviser leurs modèles de formation de planètes et leurs stratégies de détection d’exoplanètes.
« Dans les deux cas, nous savons maintenant que nous devons commencer à rechercher des protoplanètes plus rouges dans ces systèmes dotés de bras spiraux », a déclaré Wagner.
Les astronomes de l’UArizona prévoient qu’une fois qu’ils auront observé l’exoplanète géante avec le télescope spatial James Webb, ils seront en mesure de juger lequel des deux scénarios se joue dans le système naissant. L’équipe a eu le temps d’utiliser JWST début 2024 pour compléter ces observations.
« En fonction des résultats issus des observations du JWST, nous pourrons commencer à appliquer ces nouvelles connaissances à d’autres systèmes stellaires », a déclaré Wagner, « et cela nous permettra de faire des prédictions sur l’endroit où d’autres planètes cachées pourraient se cacher et nous donnera une idée des propriétés que nous devrions rechercher afin de les détecter.
L’étude a été financée par le Space Telescope Science Institute, le siège de la NASA, la National Science Foundation et le programme Horizon 2020 de l’Union européenne.
