La rotation de petits compagnons stellaires sous la loupe

Une équipe internationale de chercheurs a utilisé de nouvelles observations de l’Observatoire Keck pour mesurer le taux de rotation de trois compagnons stellaires de faibles masses, afin de trouver de nouveaux indices sur leurs origines, et ainsi déterminer si ce sont des planètes ou des « étoiles ratées ».

Obtenir une image d’une planète en orbite autour d’une autre étoile que le Soleil n’est pas une tâche facile. En effet, la lumière d’une planète en orbite autour d’une étoile se noie dans l’éclat de cette dernière, la rendant très difficile à distinguer. Alors qu’essayer de voir des objets célestes comme la Terre en orbite autour d’une étoile semble encore hors de la portée des chercheurs, d’énormes progrès ont été réalisés afin de pouvoir capter des clichés d’une vingtaine de simili planètes de type Jupiter (comme GU Psc b, détectée en 2014). Ces objets sont plus massifs que la planète Jupiter, suffisamment loin du halo éblouissant de l’étoile autour de laquelle ils sont en orbite et encore assez jeunes pour émettre un rayonnement infrarouge témoin de leurs formations.

Une grande question demeure à propos de ces compagnons : sont-ils réellement des planètes, ou sont-ils plutôt de petites naines brunes, qu’on appelle parfois des étoiles ratées? Les naines brunes se forment comme des étoiles, à partir de nuages de gaz qui se contractent, mais elles n’ont pas la masse nécessaire pour initier les réactions nucléaires qui leur permettraient de briller comme ces dernières. Certaines se trouvent isolées dans l’espace, d’autres dans des systèmes comprenant une ou plusieurs autres naines brunes, et d’autres, finalement, en orbite autour d’une étoile. Quand les plus petites naines brunes, qui sont de taille similaire à Jupiter, se trouvent autour d’une étoile, elles sont alors très difficiles à distinguer d’une planète.

Une équipe internationale de chercheurs, dont Björn Benneke, de l’Institut de recherche sur les exoplanètes, et professeur à l’Université de Montréal, a adopté une nouvelle approche pour résoudre le mystère. Ils ont mesuré les vitesses de rotation de trois de compagnons et les ont comparées aux vitesses de rotation de petites naines brunes isolées. Les résultats offrent des indices sur les possibles modes de formations des compagnons.

« Nous ne savons pas si ces compagnons, plus massifs que Jupiter et très éloignés de leur étoile, se sont formés comme des planètes ou comme des naines brunes », explique Marta Bryan, étudiante au doctorat à Caltech et auteure principale de l’étude publiée dans la revue Nature Astronomy. « Dans cette étude, nous voulions obtenir plus d’informations sur leur origine. »

Les trois compagnons observés, ROX 42B b, GSC 6214-210 b, et VHS 1256-1257 b. (Crédit: Kraus, A. L. et al. 2014, ApJ, 781, 20 (gauche); Ireland, M. J. et al 2011, ApJ, 726, 113 (centre); Gauza et al. 2015, MNRAS, 452, 1677-1683 (droite))

Les astronomes ont utilisé l’observatoire W. M. Keck d’Hawaï, géré par Caltech, l’Université de Californie et la NASA, pour mesurer la durée du jour de trois compagnons de masse planétaire, appelés ROXs 42B b, GSC 6214-210 b et VHS 1256-1257 b. Pour ce faire, ils ont utilisé le spectrographe dans le proche infrarouge NIRSpec pour disséquer la lumière provenant des compagnons.

Au fur et à mesure que les objets tournent sur eux-mêmes, la lumière du côté qui s’approche de l’observateur est décalée vers des longueurs d’onde plus courtes et plus bleues, tandis que la lumière du côté qui s’éloigne de nous est décalée vers longueurs d’onde plus longues et plus rouges. C’est ce qu’on appelle l’effet Doppler.

L’amplitude du décalage permet de déduire la vitesse de rotation des compagnons. L’équipe a trouvé que les vitesses de rotation des trois compagnons oscillaient entre 6 et 14 kilomètres par seconde, ce qui est similaire aux taux de rotation des planètes géantes gazeuses de notre Système solaire, Saturne et Jupiter.

« Ces nouvelles mesures de taux de rotation suggèrent que si ces corps sont des planètes massives situées loin de leurs étoiles, elles ont des propriétés très similaires à celles des plus petites naines brunes », explique Heather Knutson, professeur de science planétaire à Caltech et co-auteure sur l’article.

Pour compléter l’étude, les chercheurs ont également étudié les deux compagnons de masse planétaire pour lesquels un taux de rotation avait déjà été mesuré. L’un de ces compagnons, β Pictoris b, a un taux de rotation de 25 kilomètres par seconde, le plus rapide de tous les corps planétaires mesurés jusqu’à présent.

Les chercheurs ont comparé les taux de rotation des cinq compagnons à ceux mesurés précédemment pour des petites naines brunes isolées. Ils ont montré que les taux de rotation pour les deux populations étaient indiscernables, c’est-à-dire que les compagnons tournent autour de leur axe à peu près à la même vitesse que leurs homologues naines brunes isolées.

« C’est très intriguant que ces populations aient des taux de rotation indistinguables », explique Björn Benneke, également co-auteur de l’étude. « Cela signifie potentiellement qu’elles ont des histoires de formation similaires. »

Les résultats suggèrent en fait deux possibilités. L’une est justement que les compagnons de masse planétaire sont en réalité des naines brunes.

L’autre est que ce sont des planètes qui se sont formées à partir de disques de matière tourbillonnant autour de leurs étoiles, mais pour des raisons non encore comprises, elles ont des vitesses de rotation similaires à celles des naines brunes. Certains chercheurs pensent que les planètes nouvellement formées et les naines brunes sont entourées de petits disques de gaz qui pourraient contribuer à ralentir leur vitesse de rotation. Des processus physiques similaires pourraient faire en sorte que les planètes et les naines brunes auraient des vitesses de rotation similaires.

L’équipe a aussi réalisé que les compagnons tournent plus lentement que prévu. Les planètes en formation ont tendance à être accélérées par les matériaux provenant de l’accrétion du disque de gaz environnant, de la même manière que les patineurs en rotation augmentent leur vitesse (en fait leur moment cinétique) en approchant leurs bras vers l’intérieur.

Les vitesses de rotation relativement faibles observées pour ces objets indiquent qu’ils n’ont pas été trop affectés par ce processus d’accélération, peut-être grâce au transfert d’une partie du moment cinétique à des petits disques de gaz les entourant. Les chercheurs prévoient continuer à étudier le taux de rotation pour approfondir la question.

« Les taux de rotation de ces compagnons ont été très peu étudiés jusqu’à maintenant », explique M. Benneke. « C’est la première fois qu’on utilise cette mesure pour éclaircir leur nature et leur origine. Nous allons continuer à utiliser cet outil pour clarifier la nature et l’origine des petits compagnons stellaires. »

Plus d’informations

L’article « Constraints on the Spin Evolution of Young Planetary-Mass Companions » est publiée dans l’édition du 4 décembre 2017 de Nature Astronomy. L’équipe était menée par Marta Bryan, une étudiante au doctorat de Caltech, co-supervisée par Heather Knutson de Caltech et par Björn Benneke, aujourd’hui à l’iREx à l’Université de Montréal. L’étude a bénéficié du support de la NASA et du Sloan Research Fellowship Program.

Björn Benneke
Institut de recherche sur les exoplanètes, Université de Montréal
bbenneke@astro.umontreal.ca