L'exoplanète trahie par son ombre

La découverte d’exoplanètes emprunte parfois des chemins exotiques. La méthode utilisée par une équipe américaine qui vient d’être présentée lors de la 229ème réunion de l’American Astronomical Society est unique en son genre : la planète déforme le disque de gaz et de poussière qui entoure son étoile, ce qui produit une ombre sur ses parties externes, qui a pu être détectée grâce au télescope Hubble.

L’étoile en question est nommée TW Hydrae, c’est une étoile très jeune (8 millions d’années) légèrement moins massive que le soleil, qui se trouve à 192 années-lumière. Elle est entourée d’un disque de gaz et de poussière comme beaucoup d’étoiles jeunes, potentiellement fabricant des planètes. Ce qu’observent les astronomes menés par John Debes (Space Science Institute, Baltimore) qui ont enregistré l’aspect du disque de TW Hydrae depuis maintenant 18 ans avec Hubble, c’est une ombre qui paraît se mouvoir dans le sens inverse des aiguilles d’une montre autour du disque de TW Hydrae qui est vu de face, ce qui lui donne d’ailleurs tout son intérêt.

Selon les chercheurs, cet étonnant effet ne peut être attribué qu’à une planète qui produirait une déformation du disque de poussières interne par son attraction gravitationnelle, de telle sorte qu’il se formerait un anneau interne incliné par rapport au disque principal. Cet anneau secondaire projetterait alors son ombre sur la surface de l’anneau principal. C’est pour les chercheurs le scénario le plus plausible.

C’est la première fois qu’un disque protoplanétaire est imagé sur une aussi longue durée. Cela permet de voir son évolution et de percevoir ainsi des effets encore jamais détectés. Il est du coup probable que de tels effets d’ombrage sur les disques d’étoiles jeunes soient fréquents.

Les astronomes ont remarqué une asymétrie de la luminosité du disque de TW Hydrae pour la première fois en 2005 avec le spectrographe STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) monté sur Hubble. Ils ont alors recherché dans les archives des données des instruments STIS et NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) antérieures et postérieures à 2005 et ont pu comparer 6 images d'époques différentes.

STIS est muni d'un coronographe qui permet de masquer l'étoile centrale et de pouvoir observer une zone du disque de poussière jusqu'à une distance équivalente à la distance de Saturne du Soleil. La structure est alors apparue en mouvement de rotation autour du disque et avait retrouvé en 2016 sa position de 2000.

Une période aussi courte de 16 ans intrigua naturellement John Debes qui pensait initialement que ce phénomène était lié à la rotation du disque lui-même. Mais cela s'avérait impossible, les zones externes du disque de TW Hydrae doivent en effet avoir une période de rotation de l'ordre de plusieurs siècles.

C'est en voyant ce phénomène impossible que l'astrophysicien eu l'idée que ce qu'il voyait n'était pas dans le disque lui-même, mais était "imprimé" sur lui. Cela pouvait être une ombre portée sur la surface du disque.

La conclusion de l'équipe est que, quelle que soit la source à l'origine de cette ombre, elle doit se trouver très en profondeur dans le disque de poussière, à proximité immédiate de l'étoile et ne peut pas être détectée directement par le télescope.

La façon la plus probable pour produire une telle ombre est d'être en présence d'un petit disque interne qui est incliné par rapport au disque principal. 

C'est ensuite en cherchant à comprendre comment une telle distorsion de la partie interne du disque protoplanétaire était possible que les chercheurs en arrivent à l'expliquer par la perturbation gravitationnelle d'une planète massive. Le disque désaligné se trouverait à l'intérieur de l'orbite de la planète.

Elle aurait une période orbitale égale à la période observée pour l'ombre portée sur le disque : 16 ans, ce qui lui donnerait une distance d'environ 160 millions de km de l'étoile, similaire à la distance Terre-Soleil. La masse de la planète serait de l'ordre de celle de Jupiter pour avoir un potentiel gravitationnel suffisant pour expliquer la distorsion du disque observée.

Par ailleurs, des observations de TW Hydrae ont été effectuées récemment avec le réseau de radiotélescopes chilien ALMA (Atacama Large Millimeter Submillimeter Array) et concluent également sur la forte probabilité d'une torsion du disque interne. De plus, elles révèlent également la présence d'un espacement dans le disque, situé à 154 millions de kilomètres de l'étoile. Une telle division peut être la signature d'une planète ayant nettoyé son orbite et correspondait tout à fait avec les estimations de Debes et ses collègues.

Certaines observations fortuites peuvent ainsi se révéler très fructueuses et mener à des découvertes étonnantes. Il existe maintenant une nouvelle méthode de détection indirecte d'exoplanètes, une méthode certes efficace mais qui nécessite de très longues durée d'observations.

Source : 

Communiqué NASA

Illustrations : 

1) Vue illustrée du phénomène (NASA)

2) Evolution du disque de TW Hydra vue par Hubble entre 2015 et 2016

(NASA, ESA, and J. Debes (STScI))

3) Schéma de principe de l'effet d'ombrage du disque interne désaligné par la présence d'une planète massive (NASA, ESA, and A. Feild (STScI))