AC Her est un couple d'étoiles de type AGB (des étoiles géantes) qui se révèle unique en son genre, comme l'ont découvert une équipe d'astrophysiciens aux Etats-Unis. Le couple d'étoiles possède un disque de poussière et au moins une planète, mais ce disque et cette planète ont une orbite qui est quasi- perpendiculaire au plan orbital du système des deux étoiles. La découverte de cette première planète circumbinaire en orbite polaire est publiée dans The Astrophysical Journal Letters.
Rebecca Martin (Université du Nevada) et ses collaborateurs reprennent toutes les données qui ont été obtenues sur le système AC Her, provenant notamment de deux études, la première effectuée en 2015 par Hillen et al. et la seconde par Anugu et al. en 2023. Ils réexaminent la géométrie de l'étoile binaire et de son disque circumbinaire. Les chercheurs montrent que les observations décrivent une orbite binaire qui est inclinée de 96° par rapport au plan du disque de gaz et de poussière avec un vecteur moment cinétique du disque qui est situé à moins de 9° du vecteur d'excentricité de la binaire, ce qui signifie que le disque est proche de ce que les astronomes appellent un alignement polaire stable. Cette configuration très particulière où un disque entoure un couple d'étoiles dont l'orbite est excentrique est paradoxalement connu pour être stable gravitationnellement.
D'autre part, le disque de poussière montre une très grande cavité. Or, la taille de la cavité d'un disque gazeux et poussiéreux circumbinaire dépend de la séparation du couple binaire, de son excentricité et de l'inclinaison du disque par rapport à l'orbite du couple binaire. La configuration polaire du disque dans AC Her n'aide pas à expliquer la grande cavité de poussière puisqu'un disque aligné polairement doit avoir une taille de cavité plus petite qu'un disque coplanaire. Pour Martin et ses collaborateurs, la meilleure explication reste la présence d’une planète dans le disque. Il s’agirait donc de la première preuve d’une planète circumbinaire polaire. Les chercheurs rappellent que des planètes circumbinaires polaires peuvent se former aussi efficacement que les planètes coplanaires. Et par ailleurs, une planète dans un disque circumbinaire d'étoile post-AGB pourrait être une planète dite de deuxième génération, c'est-à-dire une planète qui a été formée à partir du matériau du disque qui est le matériau éjecté par l'évolution stellaire post-séquence principale, donc enrichie en métaux.
La limite de détection des observations de Anugu et al. était de 9 L⊙ et ne permettait pas de détecter une planète à faible contraste. La masse de la planète est probablement assez faible selon les chercheurs, étant donné que son influence gravitationnelle reste inobservable sur l'orbite du système binaire. Mais pour ouvrir un espace dans le disque et nettoyer une large zone, la planète doit être quand même suffisamment massive, et sur une orbite coplanaire au disque.
Même s'il s’agit de la troisième détection signalée d’un disque circumbinaire polaire autour d’un couple binaire (deux autres disques circumbinaires polaires avaient déjà été observés, mais dans les deux cas, les binaires étaient des étoiles de la séquence principale), en revanche il s'agit bel et bien de la première preuve d’une planète circumbinaire qui évolue en orbite polaire.
Martin et ses collaborateurs étudient ensuite les contraintes dynamiques sur la taille et la masse du disque circumbinaire et expliquent que le disque circumbinaire polaire doit alimenter en gaz les disques circumstellaires de chaque composante du couple, sur des orbites très inclinées par rapport au plan de l'orbite binaire. On sait qu'un disque circumbinaire coplanaire forme des disques circumstellaires coplanaires. Et on sait aussi qu'un disque circumbinaire polaire forme des disques circumstellaires polaires eux aussi, mais que dans ce cas, ce n'est pas une configuration stable. Les disques circumstellaires polaires peuvent en effet subir des oscillations d'inclinaisons ou même évoluer vers la coplanarité avec l'orbite du couple binaire.
Martin et ses collaborateurs décrivent pour finir comment un tel disque à alignement polaire a pu se produire autour du couple binaire. Le modèle d'alignement polaire qu'ils proposent implique un disque circumbinaire qui serait initialement modérément désaligné par rapport au plan orbital du couple binaire, et évoluerait vers un alignement polaire à cause d'effets de marée. L'éjection du matériau de l'étoile post-AGB qui forme le disque doit avoir une inclinaison supérieure à environ 65° par rapport au plan orbital du couple, en supposant que l'excentricité binaire n'a pas évoluée de manière significative. Des inclinaisons initiales plus petites sont possibles si l'excentricité binaire a été plus grande dans le passé. Mais un tel modèle nécessite que le disque circumbinaire ait un rayon extérieur inférieur à 100 UA, alors que le disque de AC Her a été observé jusqu'à environ 1 000 UA... Martin et ses collaborateurs évoquent donc un mécanisme pour que le disque compact puisse s'étendre vers l'extérieur pour atteindre un rayon de 1000 UA. Ce mécanisme d'expansion visqueuse, pour qu'il soit suffisant, doit se produire sur des échelles de temps de l'ordre de 1 million d'année. Mais le problème, c'est que l'âge du disque de AC Her est estimé à 100 000 ans seulement (la durée de la phase post-AGB des étoiles). Les chercheurs concluent donc sur des questions, comme souvent, et précisent qu'une analyse plus approfondie doit être effectuée pour mieux comprendre les propriétés étonnantes du disque de AC Her.
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Source
AC Her: Evidence of the First Polar Circumbinary Planet
Rebecca G. Martin et al.
The Astrophysical Journal Letters, Volume 957, Number 2 (8 november 2023)
Illustrations
1. Vue du système de AC Her et de son disque circumbinaire sous deux angles (Martin et al.)
2. Rebecca Martin
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