mardi 18 février 2020

Une nouvelle façon de détecter des exoplanètes


Une toute nouvelle méthode de détection d'exoplanètes vient de voir le jour : la détection d'aurores stellaires en ondes radio. La première détection de ce type sur une étoile naine rouge vient d'être publiée dans Nature Astronomy.



Les deux méthodes classiques de détection de la présence d'exoplanètes autour d'une étoile sont premièrement la mesure des variations de la vitesse radiale de l'étoile qui est induite par l'influence gravitationnelle de la planète, et qui exploite les très faibles décalages spectraux associés aux variations de vitesse. Et deuxièmement l'observation de transits de la planète passant devant son étoile qui produit une faible variation de luminosité de l'étoile. La méthode qu'ont développée Harish Vedantham et ses collaborateurs n'a rien à voir.
Les astrophysiciens ont analysé les sources radio d'un récent relevé de tout le ciel en regardant si il existait une coïncidence avec la position d'étoiles proches. Et c'est ce qu'ils ont trouvé! Vedantham  et ses collaborateurs observe une coincidence étonnante entre une source radio polarisée et une étoile naine nommée  GJ 1151. Mais la source radio a été vue seulement une seule fois sur les quatre enregistrements effectués dans la zone de l'étoile. L'émission radio n'a duré qu'un peu plus de huit heures et montrait une polarisation quasi complètement circulaire. La polarisation d'une onde électro-magnétique indique comment sont orientés les champs électriques et magnétiques dans l'onde électromagnétique. La polarisation de la lumière, quelle que soit sa longueur d'onde, fournit une information précieuse sur le processus responsable de son émission. 
Et la polarisation circulaire que Vedantham et ses collaborateurs ont observée en provenance de GJ 1151 ne peut être produite que par quelques phénomènes particuliers. Des cas similaires avaient été observés dans le passé sur des étoiles très éruptives, mais GJ 1151 est une vieille naine très calme. Les chercheurs ont donc pu éliminer les processus stellaires comme mécanismes d'émission possibles.
Après avoir comparé les propriétés de l'émission radio détectée avec différents modèles reproduisant sa luminosité, et avoir exclu une origine extra-terrestre intelligente (les auteurs ne citent même pas cette variante amusante...), Vedantham et ses collaborateurs montrent qu'il n'existe plus qu'un seul mécanisme physique possible : l'influence d'une exoplanète proche. Mais ce ne sont pas les habitants de cette planète qui émettent ces signaux radio étonnamment polarisés, il s'agirait plutôt d'un phénomène d'aurore stellaire induite par la présence de la planète à proximité de l'étoile, à l'image des aurores qui apparaissent au pôle de Jupiter et qui sont directement connectées aux satellites galiléens de la géante gazeuse. Les gros satellites de Jupiter sont en effet reliés à leur planète par des champs magnétiques (des tubes de flux magnétique) qui permettent à des turbulences électromagnétiques de se transmettre très facilement de l'un à l'autre. Le mouvement du satellite volcanique Io dans le champ magnétique de Jupiter est notamment connu pour être responsable de l'apparition d'aurores produisant des ondes radio caractéristiques en plus d'un joli phénomène lumineux, des ondes radio qui sont très similaires à celles qui sont observées en provenance de GJ 1151. 
Bien qu'il reste de nombreuses incertitudes dans les prédictions du modèle développé par les astrophysiciens, les données radio fournissent des indications sur les propriétés qui seraient nécessaires pour une ou plusieurs planètes autour de GJ 1151. Ces contraintes peuvent alors être utilisées pour rechercher plus efficacement la présence de planètes avec des méthodes plus classiques comme celle de la mesure de la vitesse radiale.
Mais ces résultats ont dès maintenant plusieurs implications importantes. Si un système planétaire peut être confirmé autour de cette étoile et qu'il est bien à l'origine du signal radio polarisé observé, la découverte de l'équipe de Vedantham démontrera l'intérêt de scanner le ciel entier en ondes radio de basses fréquences à la recherche d'aurores stellaires. 
Les aurores stellaires seraient intéressantes même au delà de la recherche d'exoplanètes, pour étudier plus généralement la physique des interactions magnétiques entre planètes et étoiles. Les astrophysiciens se prennent même à imaginer que les signaux radio de basses fréquences observés sur des naines rouges actives et montrant certaines similarités avec le signal de GJ 1151, qu'ils avaient attribués faute de mieux à l'activité éruptive des étoiles pourraient peut-être être en fait produits par des systèmes planétaires...
Par ailleurs, des ondes radio polarisées ont également été observées en provenance de naines brunes, des étoiles ratée, et l'hypothèse planétaire pour expliquer ces émissions est privilégiée aujourd'hui, et cela pourrait être le seul moyen d'identifier la présence de planètes autour de tels astres quasi invisibles.

Il reste donc maintenant à vite confirmer la présence d'une ou plusieurs planètes autour de GJ 1151 pour valider le modèle de Harish Vedantham et ses collègues. Dans le cas contraire, toutes les solutions seraient épuisées et le mystère de l'émission radio de GJ 1151 s'épaissirait d'avantage. Mais si il y a bien là une planète avec les bonnes propriétés, nous aurons à notre disposition une nouvelle méthode très efficace pour détecter des planètes autour d'étoiles de toute masse.


Source

Coherent radio emission from a quiescent red dwarf indicative of star–planet interaction
Harish Vedantham, et al.
Nature Astronomy (17 february 2020) 


Illustration

Principe de l'aurore stellaire induite par un tube de flux magnétique entre une planète et l'étoile (Nature Astronomy)