Impression d'artiste de protoplanètes se formant autour d'une jeune étoile. Crédit :NRAO/AUI/NSF ; S. Dagnello
Deux équipes indépendantes d'astronomes ont découvert des preuves convaincantes que trois jeunes planètes sont en orbite autour d'une étoile naissante connue sous le nom de HD 163296. En utilisant une nouvelle stratégie de recherche de planètes, les astronomes ont identifié trois perturbations discrètes dans le disque rempli de gaz d'une jeune étoile :la preuve la plus solide à ce jour que des planètes nouvellement formées y sont en orbite.
Au cours des dernières années, l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) a transformé notre compréhension des disques protoplanétaires, les usines planétaires remplies de gaz et de poussière qui entourent les jeunes étoiles. Les anneaux et les espaces dans ces disques fournissent des preuves circonstancielles intrigantes de la présence de planètes. D'autres phénomènes, cependant, pourrait expliquer ces caractéristiques alléchantes.
En utilisant une nouvelle technique de chasse aux planètes qui identifie des schémas inhabituels dans le flux de gaz dans un disque protoplanétaire, deux équipes d'astronomes ont confirmé le distinct, caractéristiques révélatrices des planètes nouvellement formées en orbite autour d'une étoile naissante dans notre galaxie. Ces résultats sont présentés dans une paire d'articles publiés dans le Lettres de revues astrophysiques .
"Nous avons regardé le localisé, mouvement à petite échelle du gaz dans le disque protoplanétaire d'une étoile. Cette approche entièrement nouvelle pourrait découvrir certaines des planètes les plus jeunes de notre galaxie, tout cela grâce aux images haute résolution provenant d'ALMA, " a déclaré Richard Teague, astronome à l'Université du Michigan et auteur principal de l'un des articles.
Pour faire leurs découvertes respectives, chaque équipe a analysé les données de diverses observations ALMA de la jeune étoile HD 163296. HD 163296 a environ 4 millions d'années et est située à environ 330 années-lumière de la Terre en direction de la constellation du Sagittaire.
Plutôt que de se concentrer sur la poussière à l'intérieur du disque, qui a été clairement imagée dans une observation ALMA antérieure, les astronomes ont plutôt étudié la distribution et le mouvement du monoxyde de carbone (CO) gazeux à travers le disque. Les molécules de CO émettent naturellement une lumière de longueur d'onde millimétrique très distinctive qu'ALMA peut observer. De subtils changements dans la longueur d'onde de cette lumière dus à l'effet Doppler donnent un aperçu de la cinématique - ou du mouvement - du gaz dans le disque.
S'il n'y avait pas de planètes, le gaz se déplacerait autour d'une étoile d'une manière très simple, modèle prévisible connu sous le nom de rotation képlérienne.
« Il faudrait un objet relativement massif, comme une planète, de créer des perturbations localisées dans ce mouvement par ailleurs ordonné, " a déclaré Christophe Pinte de l'Université Monash en Australie et auteur principal de l'un des deux articles. "Notre nouvelle technique applique ce principe pour nous aider à comprendre comment se forment les systèmes planétaires."
L'équipe dirigée par Teague a identifié deux motifs distinctifs ressemblant à des planètes dans le disque, l'un à environ 80 unités astronomiques (UA) de l'étoile et l'autre à 140 UA. (Une unité astronomique est la distance moyenne de la Terre au Soleil, ou environ 150 millions de kilomètres.) L'autre équipe, dirigé par Pinte, identifié le troisième à environ 260 UA de l'étoile. Les astronomes calculent que les trois planètes ont une masse similaire à celle de Jupiter.
Les deux équipes ont utilisé des variations sur la même technique, qui a examiné des anomalies dans l'écoulement du gaz - comme on le voit dans les longueurs d'onde changeantes de l'émission de CO - qui indiqueraient qu'il interagissait avec un objet massif.
Teague et son équipe ont mesuré les variations de la vitesse du gaz. Cela a révélé l'impact de plusieurs planètes sur le mouvement du gaz plus près de l'étoile.
Pinte et son équipe ont mesuré plus directement la vitesse réelle du gaz, ce qui est mieux pour étudier la partie externe du disque et peut localiser plus précisément l'emplacement d'une planète potentielle.
Image ALMA du disque protoplanétaire entourant la jeune étoile HD 163296 vue dans la poussière. Crédit :ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); A. Isella; B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)
Détecter les protoplanètes
"Bien que des milliers d'exoplanètes aient été découvertes au cours des dernières décennies, la détection des protoplanètes est à la frontière de la science, ", a déclaré Pinte. Les techniques actuellement utilisées pour trouver des exoplanètes dans des systèmes planétaires entièrement formés, telles que la mesure de l'oscillation d'une étoile ou la façon dont une planète en transit diminue la lumière des étoiles, ne se prêtent pas à la détection de protoplanètes.
Les images époustouflantes d'ALMA de HD 163296 et d'autres systèmes similaires ont révélé des motifs intrigants d'anneaux concentriques et d'espaces dans les disques protoplanétaires. Ces lacunes peuvent être la preuve que les protoplanètes chassent la poussière et le gaz loin de leurs orbites, en incorporant une partie dans leurs propres atmosphères. Une étude précédente du disque de cette étoile particulière montre que les espaces de poussière et de gaz se chevauchent, suggérant qu'au moins deux planètes s'y sont formées.
Ces premières observations, cependant, fournissait simplement des preuves circonstancielles et ne pouvait pas être utilisé pour estimer avec précision les masses des planètes, a noté Teague. "Comme d'autres mécanismes peuvent également produire des lacunes annulaires dans un disque protoplanétaire, il est impossible de dire avec certitude que les planètes sont là en regardant simplement la structure globale du disque, " il a dit.
ALMA a découvert des preuves convaincantes que trois jeunes planètes sont en orbite autour de l'étoile infantile HD 163296. En utilisant une nouvelle technique de recherche de planètes, les astronomes ont identifié trois perturbations discrètes dans le disque rempli de gaz de la jeune étoile :la preuve la plus solide à ce jour que des planètes nouvellement formées y sont en orbite. Celles-ci sont considérées comme les premières planètes découvertes avec ALMA.Cette image montre une partie de l'ensemble de données ALMA à une longueur d'onde et révèle un "coude" clair dans le matériau, ce qui indique sans ambiguïté la présence de l'une des planètes. Crédit :ESO, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); Pinte et al.
Dernière innovation
La clé d'une détection plus concluante, notez les astronomes, consiste à démêler les signatures de vitesse à petite échelle du gaz monoxyde de carbone.
"Bien que la poussière joue un rôle important dans la formation de la planète et fournisse des informations inestimables, le gaz représente 99% de la masse d'un disque protoplanétaire, " a déclaré le coauteur Jaehan Bae du Carnegie Institute for Science. " Il est donc crucial d'étudier la cinématique du gaz. "
La lumière qu'un gaz émet à partir d'un disque protoplanétaire change de longueur d'onde en fonction du mouvement relatif du gaz par rapport à la Terre en raison de l'effet Doppler. "C'est analogue à la technique Doppler utilisée pour trouver des planètes complètement formées, " a déclaré le co-auteur Dan Foreman-Mackey du Flatiron Institute. " Bien que plutôt que de regarder les changements de longueur d'onde de l'oscillation de l'étoile, nous plongeons profondément dans le disque pour voir comment les changements à petite échelle se produisent. »
La résolution fantastique d'ALMA a permis aux chercheurs de mesurer les modèles de vitesse du monoxyde de carbone à travers le disque.
"La précision est ahurissante, " a déclaré le coauteur Til Birnstiel de l'Observatoire universitaire de Munich. Dans un système où le gaz tourne à environ 5 kilomètres par seconde, ALMA a détecté des changements de vitesse aussi petits que quelques mètres par seconde. "Cela nous permet de trouver de très petits écarts par rapport à la rotation normale attendue dans un disque, " a déclaré Teague. Les planètes changent la densité du gaz près de leurs orbites, qui modifie la pression du gaz, induisant ces changements de vitesse correspondants.
"Nous avons comparé les observations avec des modèles informatiques pour montrer que les flux observés correspondent parfaitement aux prédictions du modèle d'écoulement autour d'une planète nouveau-née quelques fois la masse de Jupiter, " a déclaré le coauteur Daniel Price de l'Université Monash.
Cette nouvelle technique permet aux astronomes d'estimer plus précisément les masses protoplanétaires et est moins susceptible de produire des faux positifs. « Nous plaçons maintenant ALMA au premier plan dans le domaine de la détection des planètes, " a déclaré le co-auteur Ted Bergin de l'Université du Michigan.
"Souvent en science, les idées s'avèrent ne pas fonctionner ou les hypothèses s'avèrent fausses. C'est un des cas où les résultats sont bien plus excitants que ce que j'avais imaginé, " dit Birnstiel.
"Ces études nous aideront également à comprendre comment des planètes comme celles de notre système solaire sont nées, " a déclaré le co-auteur François Ménard de l'Université de Grenoble en France.
Les deux équipes continueront d'affiner cette méthode et l'appliqueront à d'autres disques, où ils espèrent mieux comprendre comment se forment les atmosphères et quels éléments et molécules sont livrés à une planète à sa naissance.
Cette recherche a été présentée dans deux articles à paraître dans la même édition du Lettres de revues astrophysiques . Le premier est intitulé « Preuve cinématique d'une protoplanète encastrée dans un disque circumstellaire », par C. Pinte et al. et le deuxième "Une détection cinématique de deux protoplanètes embarquées dans la masse de Jupiter invisibles", par R. Teague et al.
