Une naine brune détectée tout près d’une étoile de faible masse

Une équipe internationale menée par des chercheurs de l’Institut de recherche sur les exoplanètes a découvert une naine brune à proximité d’une petite étoile appelée TOI-1278. Bien qu’ils soient relativement faciles à découvrir, peu de tels systèmes ont été identifiés, ce qui suggère qu’ils sont particulièrement rares.

TOI-1278 : une étoile de faible masse scrutée par TESS

TOI-1278 se situe à environ 245 années-lumière de la Terre dans la constellation du Cygne. C’est une petite étoile qui fait environ la moitié de la masse du Soleil; on dit que c’est une naine rouge. Ces étoiles sont nombreuses dans le voisinage solaire et représentent plus de 75% des étoiles qui nous entourent. Les astronomes s’y intéressent particulièrement, car il est plus facile de détecter des compagnons — notamment des petites planètes comme la Terre — autour de ces étoiles que des plus grosses.

Une représentation artistique du télescope TESS. Le satellite TESS. (Crédit: NASA GSFC)

À l’été 2019, TOI-1278 a été observé par le satellite de la NASA TESS (pour Transiting Exoplanet Survey Satellite), qui a pour objectif de détecter des exoplanètes autour des étoiles les plus proches du Soleil. Ces observations ont permis d’identifier de faibles diminutions de la luminosité de l’étoile à deux reprises, possiblement dues à la présence d’un compagnon passant périodiquement devant celle-ci.

Pour confirmer qu’il s’agissait bien d’un compagnon, des observations ont été faites à l’automne 2019 au 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. Les chercheurs ont ainsi confirmé que TOI-1278 a bel et bien un compagnon, et que ce dernier fait le tour de l’étoile en seulement 14 jours. Cette période, très courte, indique que le compagnon se trouve très près de son hôte, à environ 0,1 unité astronomique, soit quatre fois moins que la distance qui sépare Mercure du Soleil.

Grosse exoplanète ou petite naine brune?

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)

La prochaine étape était de déterminer la masse du compagnon afin d’en préciser la nature : s’agissait-il d’une planète géante gazeuse ou d’une naine brune, un astre de masse intermédiaire entre planète et étoile?

L’équipe, menée par Étienne Artigau, chercheur à l’Institut de recherche sur les exoplanètes, a utilisé SPIRou (pour SPectropolarimètre InfraRouge) pour observer le système, entre mai et novembre 2020. Cet instrument, installé au télescope Canada-France-Hawaii (TCFH), a été conçu précisément pour faire des mesures de vitesse radiale sur les étoiles de faible masse afin de trouver et de caractériser des compagnons, notamment dans le cadre du SPIRou Legacy Survey (Grand relevé de SPIRou).

Plus un compagnon est massif, plus il affecte la vitesse de son étoile. SPIRou peut mesurer la variation de la vitesse des étoiles en décomposant leur lumière pour obtenir leur spectre. Quand une étoile s’approche de la Terre, les ondes lumineuses qu’elle émet sont étirées, et les raies de son spectre sont décalées vers le rouge. Quand elle s’approche, c’est le contraire : ses raies sont décalées vers le bleu.

Étienne Artigau, le chercheur de l’iREx qui a mené cette découverte. (Crédit: Photo de courtoisie)

« Pour TOI-1278, explique Étienne Artigau, on a rapidement su que le compagnon était massif: on pouvait voir les raies du spectre bouger à l’œil nu. En analysant les données, on a déterminé que le compagnon, TOI-1278B, est une naine brune d’environ 18 fois la masse de Jupiter. »

Un système rare

Des compagnons comme TOI-1278B sont en théorie assez faciles à repérer autour des petites étoiles. Pourtant, on en connaît très peu. Les quelques planètes très massives et naines brunes connues autour de naines rouges sont beaucoup plus éloignées de leur hôte. C’est le cas notamment de GU Piscium b, une planète d’environ 10 fois la masse de Jupiter qui se trouve à 2000 unités astronomiques de son étoile, une découverte aussi menée par des chercheurs de l’iREx.

Cette rareté est conforme aux prédictions des modèles de formation. La paire formée par l’étoile TOI-1278 et la naine brune TOI-1278B présente un défi pour les théoriciens, qui arrivent difficilement à expliquer comment elle a pu se former. En effet, il est attendu que des compagnons se forment soit comme des planètes, dans un disque protoplanétaire, soit comme des étoiles. Or, TOI-1278B est trop massif pour s’être formé comme une planète, mais trop léger pour s’être formé de manière similaire à une étoile. Un mystère qui reste à résoudre!

« Et ce n’est pas terminé, conclut Étienne Artigau. Dans le cadre du Grand relevé de SPIRou, on a 300 nuits d’observation, qui sont largement consacrées à étudier les systèmes planétaires autour de naines rouges. Plusieurs découvertes aussi surprenantes que celle de TOI-1278B sont donc 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 » a été publié le 1er octobre 2021 dans l’Astronomical Journal. En plus d’Étienne Artigau, l’équipe inclut Charles Cadieux, Thomas Vandal, Neil J. Cook, René Doyon, Jonathan Gagné, Farbod Jahandar, David Lafrenière, Lison Malo, Jason Rowe, et Stefan Pelletier de l’iREx, et 31 autres co-auteurs de la France, du Brésil, de l’Italie, des États-Unis, du Portugal, de la Suisse et du Chili.