Une équipe d’astronomes a détecté pour la première fois une planète en formation en dehors de notre système solaire, nichée dans un espace dégagé d’un disque de poussière et de gaz à plusieurs anneaux.
L’équipe, dirigée par Laird Close, astronome à l’université d’Arizona, et Richelle van Capelleveen, étudiante diplômée en astronomie à l’observatoire de Leyde aux Pays-Bas, a découvert cette exoplanète unique à l’aide du système d’optique adaptative extrême MagAO-X de l’université d’Arizona, installé sur le télescope Magellan au Chili, du grand télescope binoculaire de l’université d’Arizona en Arizona et du très grand télescope de l’Observatoire européen austral au Chili. Leurs résultats sont publiés dans The Astrophysical Journal Letters.
Depuis des années, les astronomes observent plusieurs dizaines de disques de gaz et de poussière en formation autour de jeunes étoiles. Beaucoup de ces disques présentent des lacunes dans leurs anneaux, ce qui laisse supposer qu’ils sont « labourés » par des planètes naissantes ou des protoplanètes situées à proximité, à l’instar des voies dégagées par un chasse-neige. Pourtant, seules trois jeunes protoplanètes en formation ont été découvertes à ce jour, toutes situées dans les cavités entre une étoile hôte et le bord intérieur de son disque protoplanétaire adjacent. Jusqu’à cette découverte, aucune protoplanète n’avait été observée dans les lacunes visibles du disque, qui apparaissent sous forme d’anneaux sombres.
« Des dizaines d’articles théoriques ont été écrits sur ces lacunes observées dans les disques, causées par des protoplanètes, mais personne n’en avait jamais trouvé une définitive jusqu’à aujourd’hui », a déclaré Close, professeur d’astronomie à l’université d’Arizona. Il qualifie cette découverte de « très importante », car l’absence de découvertes de planètes à des endroits où elles devraient se trouver a incité de nombreux scientifiques à invoquer d’autres explications pour le motif anneau-espace vide observé dans de nombreux disques protoplanétaires.
« Le fait que nous observions ces lacunes très sombres sans pouvoir détecter les exoplanètes qui s’y trouvent a en fait été un sujet de tension dans la littérature et en astronomie en général », a-t-il ajouté. « Beaucoup ont douté que les protoplanètes puissent créer ces lacunes, mais nous savons désormais que c’est effectivement le cas. »
Il y a 4,5 milliards d’années, notre système solaire a commencé sous la forme d’un tel disque. À mesure que la poussière s’agglomérait en amas, aspirant le gaz autour d’eux, les premières protoplanètes ont commencé à se former. Cependant, la manière exacte dont ce processus s’est déroulé reste encore largement mystérieuse. Pour trouver des réponses, les astronomes se sont tournés vers d’autres systèmes planétaires encore à leurs débuts, appelés disques de formation planétaire ou disques protoplanétaires.
L’équipe de Close a tiré parti d’un système d’optique adaptative, l’un des plus performants au monde, développé et construit par Close, Jared Males et leurs étudiants. Males est astronome associé à l’observatoire Steward et chercheur principal du MagAO-X. Le MagAO-X, qui signifie « Magellan Adaptive Optics System eXtreme », améliore considérablement la netteté et la résolution des images du télescope en compensant la turbulence atmosphérique, phénomène qui provoque le scintillement et le flou des étoiles et qui est redouté par les astronomes.
Soupçonnant la présence de planètes invisibles cachées dans les lacunes des disques protoplanétaires, l’équipe de Close a étudié tous les disques présentant des lacunes et les a sondés à la recherche d’une émission spécifique de lumière visible appelée hydrogène alpha ou H-alpha.
« À mesure que les planètes se forment et grandissent, elles aspirent l’hydrogène gazeux de leur environnement, et lorsque ce gaz s’écrase sur elles comme une gigantesque cascade venue de l’espace et frappe leur surface, il crée un plasma extrêmement chaud qui, à son tour, émet cette signature lumineuse H-alpha particulière », explique Close. « MagAO-X est spécialement conçu pour rechercher l’hydrogène gazeux tombant sur les jeunes protoplanètes, et c’est ainsi que nous pouvons les détecter. »
L’équipe a utilisé le télescope Magellan de 6,5 mètres et MagAO-X pour étudier WISPIT-2, un disque récemment découvert par van Capelleveen avec le VLT. En observant la lumière H-alpha, le groupe de Close a trouvé la perle rare. Un point lumineux est apparu à l’intérieur de l’espace entre deux anneaux du disque protoplanétaire autour de l’étoile. De plus, l’équipe a observé une deuxième planète candidate à l’intérieur de la « cavité » entre l’étoile et le bord intérieur du disque de poussière et de gaz.
« Dès que nous avons activé le système d’optique adaptative, la planète nous est apparue clairement », a indiqué Close, qui a qualifié cette découverte comme l’une des plus importantes de sa carrière. « Après avoir combiné deux heures d’images, elle est tout simplement apparue. »
Selon Close, la planète, baptisée WISPIT 2b, est un exemple très rare de protoplanète en train d’accumuler de la matière. Son étoile hôte, WISPIT 2, est similaire au Soleil et a à peu près la même masse. La planète candidate intérieure, baptisée CC1, contient environ neuf masses joviennes, tandis que la planète extérieure, WISPIT 2b, pèse environ cinq masses joviennes. Ces masses ont été déduites, en partie, à partir de la lumière infrarouge thermique observée par le grand télescope binoculaire de 8,4 mètres de l’université d’Arizona, situé sur le mont Graham, dans le sud-est de l’Arizona, avec l’aide de Gabriel Weible, étudiant diplômé en astronomie à l’université d’Arizona.
« Cela ressemble un peu à ce à quoi auraient ressemblé Jupiter et Saturne lorsqu’elles étaient 5 000 fois plus jeunes qu’aujourd’hui », a dit M. Weible. « Les planètes du système WISPIT-2 semblent être environ 10 fois plus massives que nos propres géantes gazeuses et plus dispersées. Mais leur apparence générale n’est probablement pas si différente de ce qu’un « astronome extraterrestre » voisin aurait pu voir sur une « photo de bébé » de notre système solaire prise il y a 4,5 milliards d’années. »
« Notre système d’optique adaptative MagAO-X est optimisé comme aucun autre pour fonctionner correctement à la longueur d’onde H-alpha, ce qui permet de séparer la lumière brillante des étoiles de la faible lumière des protoplanètes », a ajouté M. Close. « Autour de WISPIT 2, il y a probablement deux planètes, quatre anneaux et quatre espaces. C’est un système extraordinaire. »
CC1 pourrait orbiter à environ 14-15 unités astronomiques (une UA équivalant à la distance moyenne entre le Soleil et la Terre), ce qui la placerait à mi-chemin entre Saturne et Uranus si elle faisait partie de notre système solaire, selon M. Close. WISPIT-2b, la planète qui creuse l’espace, est plus éloignée, à environ 56 UA, ce qui, dans notre propre système solaire, la placerait bien au-delà de l’orbite de Neptune, près du bord extérieur de la ceinture de Kuiper.
Un deuxième article publié en parallèle et dirigé par van Capelleveen et l’université de Galway détaille la détection de la planète dans le spectre infrarouge et la découverte du système à anneaux multiples grâce au système d’optique adaptative SPHERE du télescope VLT de 8 mètres.
« Pour observer les planètes au cours de leur jeunesse éphémère, les astronomes doivent trouver de jeunes systèmes de disques, qui sont rares, explique van Capelleveen, car c’est le seul moment où elles sont vraiment plus brillantes et donc détectables. Si le système WISPIT-2 avait l’âge de notre système solaire et que nous utilisions la même technologie pour l’observer, nous ne verrions rien. Tout serait trop froid et trop sombre. »
Article : « WIde Separation Planets In Time (WISPIT): A Gap-clearing Planet in a Multi-ringed Disk around the Young Solar-type Star WISPIT 2 » – DOI : 10.3847/2041-8213/adf721
Source : Arizona U.
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