Un rare compagnon naine brune en orbite autour d’une naine M

Une équipe internationale d’astronomes menée par Étienne Artigau, chercheur à l’Institut de recherche sur les exoplanètes, vient de découvrir une naine brune à courte période orbitale autour d’une petite étoile de type naine M. Bien qu’ils soient relativement faciles à repérer, peu de ce type de système a été identifié, suggérant qu’ils sont particulièrement rares.

Pourquoi s’intéresser aux naines M ?

Les naines M sont au centre de l’attention de bien des astronomes depuis quelques années. Ces étoiles sont plus petites et moins massives que des étoiles semblables au Soleil. Il est donc plus facile de trouver des planètes autour de ces étoiles, en particulier, des petites planètes comme la Terre. De plus, les naines M sont nombreuses dans le voisinage solaire et représentent plus de 75% des étoiles qui nous entourent. L’étude des compagnons planétaires de ce genre d’étoiles est donc un incontournable.

Le télescope spatial TESS et les naines M

Le satellite de la NASA TESS (pour Transiting Exoplanet Survey Satellite) a pour objectif de détecter des exoplanètes autour des étoiles les plus près du Soleil, en utilisant la méthode du transit. Cette méthode consiste à mesurer régulièrement la luminosité d’une étoile afin de détecter la baisse de luminosité périodique associée au passage d’un compagnon devant son étoile. Parmi les naines M observées par ce télescope, on trouve TOI-1278. Elle a une masse d’environ la moitié de la masse du Soleil et se situe à quelque 245 années-lumière de la Terre.

L’observation de TOI-1278 à l’automne 2019 a permis d’identifier deux transits qui pouvaient correspondre à la présence d’un compagnon en orbite autour de l’étoile. Pour confirmer le signal, des observations ont été obtenues à l’aide du Wild Boar Remote Observatory en Italie et avec le télescope de 0.91 mètre de la station M.G. Fracastoro du Catania Astrophysical Observatory, aussi en Italie. La présence d’un compagnon ayant une période d’environ 14 jours a alors été confirmée.

Grosse exoplanète ou petite naine brune?

La prochaine étape afin de mieux connaître le compagnon est de contraindre la masse afin de comprendre sa nature. Cette mesure importante peut être obtenue avec un instrument comme SPIRou (pour SPectropolarimètre Infrarouge). Ce dernier, installé au télescope Canada-France-Hawaii, a été conçu précisément pour effectuer des mesures de vitesse radiale sur les étoiles de faible masse afin de trouver et de caractériser des compagnons.

Le signal de vitesse radiale de TOI-1278 était tellement évident qu’on pouvait voir les raies des spectres bouger à l’œil nu, dit Étienne Artigau, le premier auteur de l’article.

Grâce à SPIRou, l’équipe a pu contraindre la masse du compagnon de TOI-1278 à environ dix-huit fois celle de Jupiter. TOI-1278 B est donc une naine brune, soit un objet de masse intermédiaire entre une planète et une étoile.

Le système optique du spectrographe de SPIRou sur le banc cryogénique dans la salle blanche de l’IRAP/OMP. (Crédit: S. Chastanet/CNRS/UPS/OMP)

Des compagnons comme TOI-1278 B en orbite autour de naines M sont assez faciles à trouver. Pourtant, on en connaît très peu. Quelques compagnons de 10 masses de Jupiter et plus en orbite autour de naines M ont été détectés, mais ceux-ci sont plus éloignés de leur hôte, et ils ont des périodes orbitales bien plus longues que TOI-1278 B. De plus, de tels systèmes présentent un défi pour les théoriciens au niveau de la formation.  En effet, il est attendu que de tels compagnons se forment soit comme des planètes, dans un disque protoplanétaire, soit comme des étoiles. Or, TOI-1278 B est à la fois trop massif pour s’être formé comme une planète et trop léger pour se former comme système à courte période.

Et la suite?

Les données SPIRou de TOI-1278 ont été obtenues grâce au grand relevé de SPIRou (SPIRou Legacy Survey; SLS). Trois cents nuits d’observation ont été accordées à l’équipe SPIRou, dont font partie plusieurs membres de l’Institut, afin d’étudier les systèmes planétaires autour de naines M ainsi que l’impact des champs magnétiques sur la formation des étoiles et des planètes. Le grand relevé de SPIRou comptera dont une importante quantité de données et plusieurs découvertes sont certainement à venir!

Pour en savoir plus

L’article “TOI-1278 B: SPIRou unveils a rare Brown Dwarf Companion in Close-In Orbit around an M dwarf”, par Étienne Artigau et ses collègues, a été publié le 16 septembre 2021 dans l’Astronomical Journal.