Univers

En analysant des images acquises par le Très Grand Télescope de l’ESO ainsi que le Télescope Spatial Hubble NASA/ESA, les astronomes ont découvert l’existence, au sein d’un disque de poussière situé autour d’une étoile proche, de structures inconnues jusqu’alors. Semblables à des ondes animées d’un mouvement rapide, ces structures figurent dans le disque de l’étoile AU Microscopii. Elles ne ressemblent en rien à ce qui a pu être observé ou envisagé jusqu’à présent. L’origine ainsi que la nature de ces structures offrent donc aux astronomes un tout nouveau champ d’investigations. Les résultats de leurs observations font l’objet d’une publication au sein de l’édition du 8 octobre 2015 de la revue Nature.

AU Microscopii, abréviée AU Mic, est une étoile jeune, proche de notre système solaire et entourée d’un disque de poussière étendu ¹. L’étude de semblables disques de débris est susceptible de compléter notre connaissance des processus de formation planétaire à partir de telles structures.

Les astronomes ont recherché le moindre signe de structure déformée ou grumeleuse – témoignant de la possible existence de planètes – dans le disque de AU Mic. A cette fin, ils ont utilisé, en 2014, l’instrument SPHERE nouvellement installé sur le Très Grand Télescope de l’ESO. Aidés de ce puissant dispositif capable de discerner le moindre détail contrasté, ils ont fait une étrange découverte.

“Nos observations ont révélé quelque chose d’inattendu”, rapporte Anthony Boccaletti, chercheur CNRS au LESIA (Observatoire de Paris/CNRS/UPMC/Paris-Diderot), France, premier auteur de l’article. “Les images acquises par SPHERE laissent apparaître un ensemble de structures inexpliquées au sein du disque. Ces structures arborent une forme arquée, ou ondulée, bien différente de ce qui a déjà été observé par le passé.”

Sur les nouvelles images figurent, telles des vagues à la surface de l’eau, cinq arches formant globalement une structure ondulante à différentes distances de l’étoile. Après avoir repéré ces structures au moyen des données de SPHERE, l’équipe a consulté d’anciennes images du disque acquises, en 2010 et 2011, par le Télescope Spatial Hubble NASA/ESA ². Il est ainsi apparu, non seulement que ces structures figuraient sur les images d’Hubble, mais également qu’elles avaient changé au fil du temps. En fait, ces ondulations se déplacent – et à une vitesse très élevée !

Les structures les plus éloignées de l’étoile semblent se mouvoir à vitesse plus élevée que les plus proches. Trois des structures au moins se déplacent si rapidement qu’elles pourraient bien échapper à l’attraction gravitationnelle de l’étoile. L’existence de vitesses si élevées exclut l’hypothèse selon laquelle ces structures résulteraient de perturbations causées sur le disque par des objets – telles des planètes – en orbite autour de l’étoile. Un élément inconnu, et véritablement inhabituel, doit être à l’origine de l’accélération de ces ondulations et de leur vitesse si élevée.

L’équipe ne peut affirmer avec certitude la cause de ces mystérieuses ondulations autour de l’étoile. Elle a toutefois envisagé et écarté un ensemble de phénomènes possibles, telle la collision de deux objets massifs et rares semblables à des astéroïdes libérant d’importantes quantités de poussière, ou bien encore des ondes spirales générées par des instabilités gravitationnelles à l’intérieur du système.

Mais l’hypothèse la plus prometteuse reste celle d’une interaction entre une flambée de cette étoile jeune et active avec une possible exoplanète dans le système. « Notre analyse n’a pas révélé de planète géante dans le système, mais nous avons d’ores et déjà de nouvelles observations prévues pour regarder encore plus proche de l’étoile et tenter d’éclaircir l’origine de ces mystérieuses structures » commente Arthur Vigan, astronome du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) qui a participé à l’analyse des données.

Cette découverte faite avec la caméra IRDIS de SPHERE est une victoire pour l’équipe d’ingénieurs et d’astronomes du LAM qui a conçu cette caméra, ainsi que d’autres éléments clés de l’instrument SPHERE. « La qualité des optiques d’IRDIS est sans précédent » précise Kjetil Dohlen, l’ingénieur système de SPHERE et IRDIS. « C’est cette qualité qui permet aujourd’hui de visualiser avec autant de précision ces si fines structures. C’est le travail de toute une équipe sur plusieurs années qui a permis d’en arriver là ».

“ SPHERE n’est que dans sa première année de fonctionnement et il est déjà capable d’étudier un tel disque. On ne peut donc que se réjouir de ce résultat des plus prometteurs qui confirme les grandes capacités de l’instrument”, conclut Jean-Luc Beuzit, co-auteur de la nouvelle étude et responsable du consortium international qui a conçu l’instrument SPHERE.

L’équipe ambitionne de continuer à observer le système AU Mic au moyen de SPHERE et d’autres instruments parmi lesquels ALMA, afin de comprendre les processus à l’œuvre. Pour l’instant toutefois, ces étranges structures demeurent un véritable mystère.

Vingt ans après leur découverte, les « Jupiters chauds », ces planètes géantes gazeuses tournant de façon très rapprochée autour de leur étoile, restent encore des objets énigmatiques. En utilisant le spectro-polarimètre ESPaDOnS du Télescope Canada-FranceHawaii, une équipe internationale d’astrophysiciens menée par Jean-François Donati (CNRS) et à laquelle participe des chercheurs du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille – LAM (AMU/CNRS) vient de montrer que ces corps pourraient ne mettre que quelques millions d’années à se rapprocher de leur étoile tout juste formée. Cette découverte devrait nous aider à mieux comprendre comment les systèmes planétaires, similaires ou différents de notre système solaire, se forment et évoluent au cours de leur existence. Elle est publiée le 9 septembre 2015 dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) et en accès libre sur le site ArXiv.

Dans le système solaire, les planètes rocheuses, comme la Terre et Mars, occupent les régions proches du Soleil, alors que les planètes géantes et gazeuses, comme Jupiter ou Saturne, sont plus éloignées. D’où la surprise de Michel Mayor et Didier Queloz lorsqu’ils découvrent, il y a exactement vingt ans, la toute première exoplanète : celle-ci est en effet une planète géante gazeuse similaire à Jupiter, mais tournant autour de son étoile vingt fois plus près que la Terre autour du Soleil.

Depuis, les astronomes ont montré que ces futurs « Jupiters chauds » se forment en périphérie du disque protoplanétaire, le nuage qui donne naissance à l’étoile centrale et aux planètes environnantes, avant de migrer à l’intérieur. C’est lorsqu’elles se rapprochent ensuite au plus près de leur étoile que ces planètes géantes gazeuses se réchauffent et deviennent des Jupiters chauds – au contraire de notre Jupiter, planète géante « froide », environ 5 fois plus éloignée du Soleil que la Terre. Mais quand ces Jupiter chauds se rapprochent-ils de leur étoile ? Les astronomes imaginaient jusqu’ici deux théories possibles : ce processus peut se produire dans une phase très précoce, alors que les jeunes planètes s’alimentent encore au sein du disque originel, ou bien plus tardivement, une fois que de nombreuses planètes ont été formées et interagissent en une chorégraphie si instable que certaines d’entre elles se retrouvent propulsées au voisinage immédiat de l’étoile centrale.

Une équipe internationale d’astrophysiciens, comprenant plusieurs chercheurs français et menée par Jean-François Donati, de l’Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP, CNRS/Université Toulouse III-Paul Sabatier) ¹, viendrait de montrer que le premier scénario était une réalité. Avec ESPaDOnS, le spectropolarimètre construit par les équipes de l’IRAP pour le télescope Canada-France-Hawaï (CFHT ² ), ils ont observé des étoiles en formation au sein d’une pouponnière stellaire située à environ 450 années-lumière de la Terre, dans la constellation du Taureau. L’une d’elles, V830 Tau, montre des signatures similaires à celles causées par une planète 1.4 fois plus massive que Jupiter, mais sur une orbite 15 fois plus proche de l’étoile que la Terre ne l’est du Soleil. Cette découverte suggère que les Jupiters chauds peuvent être extrêmement jeunes et potentiellement bien plus fréquents autour des étoiles en formation qu’au voisinage d’étoiles adultes comme le Soleil.

Les étoiles jeunes abritent des trésors d’information sur la formation des planètes. Leur activité et leur champ magnétique très intenses les couvrent de taches des centaines de fois plus grosses que celles du Soleil. Elles engendrent donc dans leur spectre des perturbations d’amplitude bien plus importantes que celles causées par des planètes qui deviennent du coup beaucoup plus difficiles à détecter, même dans le cas des Jupiters chauds. Pour aborder ce problème, l’équipe a entrepris le programme d’observation MaTYSSE ³ dans le but de cartographier la surface de ces étoiles et de détecter d’éventuels Jupiters chauds.

En suivant ces étoiles au cours de leur rotation et par le biais de techniques tomographiques inspirées de l’imagerie médicale, il est possible de reconstruire la distribution des taches sombres et brillantes, ainsi que la topologie du champ magnétique, à la surface des étoiles jeunes. Cette modélisation rend également possible la correction des effets perturbateurs de l’activité et la détection d’éventuels Jupiters chauds. Dans le cas de V830 Tau, les auteurs sont parvenus à découvrir, grâce à cette nouvelle technique, un signal enfoui suggérant la présence d’une planète géante. Même si de nouvelles données sont nécessaires pour valider la détection, ce premier résultat prometteur démontre clairement que la méthode proposée peut nous fournir les clés de l’énigme de la formation des Jupiters chauds.

SPIRou, le nouvel instrument que les équipes de l’IRAP construisent en ce moment pour le TCFH et dont la première lumière est prévue pour 2017, permettra de repousser encore les limites de la méthode, grâce à sa capacité à observer dans l’infrarouge – domaine dans lequel les étoiles jeunes sont beaucoup plus brillantes. Grâce à lui, la formation des étoiles et des planètes pourra être explorée encore plus finement.

Une équipe composée principalement de chercheurs français a démontré que la plupart des poussières interplanétaires qui finissent en micrométéorites à la surface de la Terre sont les objets extraterrestres récoltés les plus représentatifs de la ceinture principale d’astéroïdes et non les météorites comme cela fut longtemps considéré. Elle a montré par la même occasion que ces poussières ont une origine principalement astéroïdale et non cométaire avec des conséquences sur les modèles d’évolution dynamique du système solaire. Cette étude est publiée le 16 juin 2015 dans the Astrophysical Journal.

Les micrométéorites sont des poussières extraterrestres faisant généralement une taille inférieure au millimètre et qui en masse représentent la fraction la plus importante de la matière extraterrestre accrétée par la Terre au cours du temps. Bien que petites, ce sont elles qui sont à l’origine de la plupart des étoiles filantes que l’on observe dans le ciel.

Une équipe menée par un chercheur du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM – CNRS/AMU) a comparée les propriétés spectrales des astéroïdes riches en glace (comme Cérès par exemple, visité en ce moment par la sonde américaine DAWN) avec celles de toutes les classes de météorites et de poussières interplanétaires récoltés sur Terre ou dans la stratosphère. L’étude montre que seules les poussières interplanétaires anhydres sont compatibles avec les propriétés spectrales des astéroïdes riches en glace.

Tout d’abord, ce constat remet en cause le statut de référence des météorites dans la connaissance de la ceinture d’astéroïde, et cela au profit des poussières interplanétaires. Mais aussi, et en conséquence, il faut reconsidérer l’origine que l’on attribuait à ces poussières qui au lieu de provenir principalement des comètes comme on le supposait, proviennent essentiellement de la ceinture principale. En effet la comparaison avec les propriétés spectrales des comètes donne de moins fortes similitudes.

Ainsi la fraction la plus importante de la matière accrétée par la Terre – les poussières interplanétaires – est représentative de la fraction la plus importante des astéroïdes formant la ceinture principale – les astéroïdes glacés. En d’autres termes, la ceinture principale d’astéroïdes est la source principale de la matière accrétée aléatoirement par la Terre ; et les poussières interplanétaires – de part leur diversité spectrale – en sont les meilleures représentantes.

Cette étude résout un malaise de longue date puisqu’aucune roche extraterrestre n’apparaissait comme un analogue convaincant des astéroïdes riches en glaces qui dominent outrageusement (en masse) la ceinture principale. Elle conforte par ailleurs l’aspect cométaire de ces objets ; en effet, certains dégazent comme les comètes (c’est notamment le cas de Cérès) et d’autres possèdent de la glace à la surface (comme 24 Thémis).

Par ailleurs, il faut savoir que, le modèle de Nice de formation du Système solaire prédit grosso modo que des objets du Système solaire externe, tels que les Objets Trans-Neptuniens (TNOs), ont été implantés dans la ceinture principale. De ce point de vue, les présents résultats abondent dans ce sens en apportant une preuve supplémentaire de l’aspect cométaire de ces objets. En se basant sur les modèles récents de l’évolution dynamique du système solaire, il apparait également que les météorites échantillonnent la diversité des planetésimaux qui se sont formés dans la région interne du système solaire (0.5-4 UA) alors que les poussières interplanétaires échantillonnent la diversité des planetésimaux qui se sont formés dans la région externe du système solaire (au delà de 5 UA).