Myriam Benisty (unité mixte franco-chilienne d'astronomie, Université du Chili/Université Grenoble-Alpes) et ses collaborateurs européens, chiliens et états-uniens ont décidé d'observer le système de PDS 70 à très haute résolution en infra-rouge grâce au réseau ALMA. Il faut dire que c'était tentant. En 2018, l'instrument SPHERE du Very Large Telescope (VLT) avait permis de capturer une image infrarouge du système PDS 70 qui présentait un beau disque de poussière et une planète en pleine formation, PDS 70 b. L'année suivante, le VLT a a été réutilisé mais cette fois avec un instrument différent (MUSE, dans le visible) pour fournir une image de la deuxième protoplanète du système, PDS 70 c. L'image suggérait également que les deux protoplanètes du système connaissaient une accrétion en cours. Quelques mois plus tard, une autre équipe avait utilisé ALMA à 855 µm pour conclure à l'existence d'un disque circumplanétaire autour de PDS 70 c probablement formé de poussières à grains millimétriques.
Myriam Benisty et ses collaborateurs voulaient voir de beaucoup plus près encore ce que les deux protoplanètes étaient en train d'accréter autour d'elles. Les chercheurs ont donc réutilisé ALMA mais dans une configuration des antennes différentes avec une base plus longue, ce qui leur permettait d'atteindre une résolution angulaire bien meilleure. Ils obtiennent une résolution de 20 millisecondes d'arc. A la distance de ce système planétaire (112 pc), cette résolution correspond à une distance de seulement 2,3 unités astronomiques! Ils ont gagné un facteur 4 en résolution par rapport aux précédentes observations.
L'étoile PDS 70 est entourée d'un gros disque de poussière qui s'étend radialement entre 45 et 110 unités astronomiques, et la planète PDS 70 c orbite à l'intérieur de l'espace du disque à un rayon d'environ 22 unités astronomiques de l'étoile centrale et PDS 70b, elle, à 34 unités astronomiques. Le disque circumplanétaire de PDS70c est bien plus visible que celui de PDS 70b, la différence de visibilités suggérant des propriétés de poussière différentes pour les disques autour des deux protoplanètes.
Les chercheurs arrivent à quantifier la masse de poussière qui forme le disque circumplanétaire autour de PDS 70c : en considérant une taille de grain de 1 µm, elle vaut environ 0,031 masse terrestre et pour des grains de 1 mm, elle vaut 0,007 masse terrestre. Rappelons que notre Lune a une masse de 0,011 masse terrestre. La masse de ce disque circumplanétaire est donc du même ordre que la masse de la Lune. Mais la planète PDS 70c est bien plus massive que la Terre puisque sa masse est environ deux fois plus grande que celle de Jupiter.
Myriam Benisty et ses collaborateurs, après analyse des images obtenues déduisent que le disque circumstellaire régule le disque circumplanétaire : ils mesurent qu'une quantité de poussière de l'ordre de 10-6 masse terrestre par an tombe sur le disque entourant la planète en provenance du gros disque entourant l'étoile. Pour les chercheurs, le disque circumplanétaire peut retenir la poussière suffisamment longtemps pour permettre la formation d'un satellite, une exolune.
Les astrophysiciens détectent également près de PDS 70 b une émission continue étendue, à faible luminosité de surface, à l'intérieur de la cavité formée par le gros disque entourant l'étoile, qui n'avait pas été vue auparavant, ainsi qu'un disque interne optiquement mince à moins de 18 unités astronomiques de l'étoile avec une émission qui pourrait résulter selon eux de petits grains de poussière de taille micrométrique qui auraient pu être transportés depuis le disque externe à travers les orbites des deux protoplanètes.
La non-détection d'une source ponctuelle autour de PDS 70 b indique un disque circumplanétaire plus petit et/ou moins massif autour de la planète b par rapport à la planète c. Cette différence provient potentiellement d'un pouvoir de rétention de plus gros grains par la planète c.
Cette magnifique image à haute résolution de ALMA nous permet de voir pour la première fois une exolune en cours de formation, qui se trouve à 365 années-lumière de nous. Des futures observations spectroscopiques permettront de déterminer la cinématique du disque de poussière, de quoi déterminer plus précisément la vitesse de rotation de cette future exolune.
Source
A Circumplanetary Disk around PDS70c
Myriam Benisty et al.
The Astrophysical Journal Letters, 916 (20 july 2021)
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac0f83
Illustration
Le système PDS 70 avec sa planète c entourée d'un disque de poussière (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/Benisty et al.)
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