jeudi 19 novembre 2015

Découverte confirmée d'une planète naissante

Parmi les quelques 2000 planètes qui ont été découvertes et confirmées en tant que telles depuis 20 ans, aucune n’est une jeune planète en cours de formation. Mais c’est désormais chose faite, une planète très jeune encore en cours de formation vient d’être confirmée pour la première fois.



Ce qui rend difficile la découverte de planètes naissantes c’est que les systèmes stellaires en cause sont le plus souvent noyés par d’épais disques de poussières. L’équipe internationale qui a réussi l’exploit de mettre en évidence cette planète encore en train de grossir a utilisé une technique innovante fondée sur la détection d’une raie d’émission particulière de l’hydrogène, la raie Ha.
Schéma du système de LkCa 15 (Z.Zhu/Nature)
Quand une étoile se forme, un disque de gaz et de poussières se forme autour d’elle, que l’on appelle un disque circumstellaire.  Le processus d’accrétion du disque produit un transport de matière continu vers l’étoile. Les planètes se forment dans ce disque avec ce qu’il reste de matière non absorbée par l’étoile.
Les méthodes classiques de détection des exoplanètes comme la détection de transits ne sont pas applicables pour les très jeunes planètes situées autour de jeunes étoiles car ces étoiles sont très actives et leur luminosité est naturellement très variable. La faible perte d’éclat produite par le passage d’une planète devant l’étoile ne pourrait pas y être distinguée. La méthode employée est donc une méthode directe qui cherche, grâce à des télescopes de très grand diamètre, à observer directement la présence d’un corps à l’intérieur d’un disque circumstellaire.
Parmi ceux-ci, les disques qui montrent une large cavité « vide », sont plus particulièrement étudiés car de telles cavités sont estimées être produites par des planètes géantes. Ils sont appelés des disques transitoires. Le disque de l’étoile LkCa 15 fait partie de cette catégorie. LkCa 15 est une étoile de masse comparable à celle du soleil mais âgée de seulement 2 millions d’années. Son disque de poussières et de gaz possède une cavité de 50 unités astronomiques (1 U.A = distance Terre-Soleil).
En 2012, une protoplanète candidate a été observée à l’intérieur de la cavité du disque de LkCa 15, à une distance de 16 U.A de l’étoile. Elle a été nommée LkCa 15 b, mais sa véritable nature est restée incertaine, notamment du fait de sa lumière trop rouge pour une planète jeune. Depuis, plusieurs autres candidates planètes jeunes ont été observées dans des disques circumstellaires, avec toutes le même défaut de luminosité dans le rouge et l’infra-rouge. Ces points communs ont mené les astronomes à penser qu’il pouvait s’agir de planètes jeunes entourées elles aussi d’un disque de poussière et de gaz, à même d’expliquer cette émission dans le rouge.

Données obtenues avec le télescope LBT. La croix indique l'emplacement de l'étoile LKCa 15.
Le bleu indique l'émission H-alpha (Sallum et al.) 
Stephanie Sallum de l'Université de l'Arizona et ses collaborateurs se sont justement intéressés à cette lumière rouge émise par les disques cirumplanétaires, en utilisant l'un des télescopes optiques qui offrent actuellement la meilleure résolution, le Large Binocular Telescope, muni de deux miroirs de 8,4 m chacun, placés sur une unique monture, ce qui en fait un instrument unique. Le LBT est installé sur les hauteurs du Mont Graham en Arizona.
Les chercheurs  se sont intéressés plus précisément à une raie d’émission de l’hydrogène appelée la raie Ha. Cette raie est spécifique car elle est émise lorsque l’hydrogène se retrouve chauffé à 10 000 K. Un tel échauffement est possible quand un fort champ magnétique est produit par la toute jeune planète et vient forcer le matériau du disque circumplanétaire à suivre ses lignes de champ avant de s’accréter à la planète. Cette raie Ha a déjà été souvent observée dans des disques d’accrétion autour d’étoiles, mais c’est ici la première fois qu’elle a pu être observée directement autour non pas de l’étoile, mais de sa protoplanète.

Sallum et ses collègues apportent la preuve, grâce à leur observation de la raie Haque LkCa 15 b est bien une planète en cours de formation qui est entourée d’un disque d’accrétion. En plus, les astronomes ont découvert par la même occasion la présence de deux autres objets à l’intérieur de la cavité du disque de LkCa 15, mais qui n’émettent pas la fameuse raie de l’hydrogène et ne seraient donc pas entourés d’un disque d’accrétion.
La preuve apportée par l’équipe américano-australienne est intéressante car elle pose des questions. Comment une planète géante peut-elle se former à 16 U.A de son étoile en 2 millions d’année, et être encore  en train de grossir ? Par ailleurs, le champ magnétique nécessaire pour tronquer le disque circumplanétaire et produire l’échauffement observé doit être 20 fois plus intense que le champ magnétique actuel de Jupiter, ce qui implique que les mouvements internes de ces jeunes planètes géantes soient beaucoup plus importants que ceux des planètes géantes de notre système. Pourquoi les deux autres corps détectés ne seraient pas entourés eux aussi de disque de poussière en accrétion ?  

La nouvelle technique développée servira certainement à découvrir de nombreuses planètes jeunes dans le futur, et donc leur distribution dans l’espace et dans le temps. Des briques essentielles pour mieux comprendre la formation des systèmes planétaires et comment ils vieillissent.


Sources :
Growing planet brought to light
Zhaohuan Zhu
Nature 527, 310–311 (19 November 2015)

Accreting protoplanets in the LkCa 15 transition disk
S. Sallum et al.
Nature 527, 342–344 (19 November 2015)