Prendre une photo d'une exoplanète - une planète dans un système solaire au-delà de notre soleil - n'est pas une tâche facile. La lumière de l'étoile mère d'une planète surpasse de loin la lumière de la planète elle-même, rendant la planète difficile à voir. S'il n'est toujours pas possible de photographier une petite planète rocheuse comme la Terre, les chercheurs ont fait des progrès en prenant des images d'environ 20 corps géants ressemblant à des planètes. Ces objets, connus sous le nom de compagnons de masse planétaire, sont plus massives que Jupiter, orbite loin de l'éclat de leurs étoiles, et sont assez jeunes pour briller encore de la chaleur de leur formation, autant de traits qui les rendent plus faciles à photographier.

Mais une grande question demeure :ces compagnons de masse planétaire sont-ils réellement des planètes, ou s'agit-il plutôt de petites étoiles « ratées » appelées naines brunes ? Les naines brunes se forment comme les étoiles - à partir de nuages ​​de gaz qui s'effondrent - mais elles n'ont pas la masse pour s'enflammer et briller avec la lumière des étoiles. Ils peuvent être trouvés flottant seuls dans l'espace, ou ils peuvent être trouvés en orbite avec d'autres naines brunes ou étoiles. Les plus petites naines brunes sont de taille similaire à Jupiter et ressembleraient à une planète en orbite autour d'une étoile.

Les chercheurs de Caltech ont adopté une nouvelle approche du mystère :ils ont mesuré les vitesses de rotation de trois des compagnons de masse planétaire photographiés et les ont comparées aux vitesses de rotation de petites naines brunes. Les résultats offrent un nouvel ensemble d'indices qui suggèrent comment les compagnons ont pu se former.

"Ces compagnons avec leurs masses élevées et leurs larges séparations auraient pu se former soit comme des planètes, soit comme des naines brunes, " dit l'étudiante diplômée Marta Bryan (MS '14), auteur principal d'une nouvelle étude décrivant les résultats dans la revue Astronomie de la nature . "Dans cette étude, nous voulions faire la lumière sur leurs origines."

"Ces nouvelles mesures de spin suggèrent que si ces corps sont des planètes massives situées loin de leurs étoiles, elles ont des propriétés très proches de celles des plus petites naines brunes, " dit Heather Knutson, professeur de science planétaire à Caltech et co-auteur de l'article.

Les astronomes ont utilisé l'observatoire W. M. Keck à Hawaï, géré par Caltech, l'Université de Californie, et la NASA—pour mesurer la vitesse de rotation, ou la durée d'une journée, de trois compagnons de masse planétaire connus sous le nom de ROX 42B b, CSS 6214-210b, et VHS 1256-1257 b. Ils ont utilisé un instrument à Keck appelé Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) pour disséquer la lumière provenant des compagnons. Alors que les objets tournent sur leurs axes, la lumière du côté qui se tourne vers nous devient plus courte, longueurs d'onde plus bleues, tandis que la lumière du côté reculant se déplace vers plus longtemps, longueurs d'onde plus rouges. Le degré de ce décalage indique la vitesse d'un corps en rotation. Les résultats ont montré que les vitesses de rotation des trois compagnons variaient entre 6 et 14 kilomètres par seconde, similaire aux taux de rotation des planètes géantes gazeuses de notre système solaire, Saturne et Jupiter.

Pour l'étude, les chercheurs ont également inclus les deux compagnons de masse planétaire pour lesquels les vitesses de rotation avaient déjà été mesurées. Une, Pictoris b, a un taux de rotation de 25 kilomètres par seconde, le taux de rotation le plus rapide de tous les corps de masse planétaire mesurés jusqu'à présent.

Les chercheurs ont comparé les vitesses de rotation des cinq compagnons à celles mesurées précédemment pour les petites naines brunes flottant librement. Les fourchettes de taux de rotation pour les deux populations étaient indiscernables. En d'autres termes, les compagnons tournent autour de leurs propres axes à environ la même vitesse que leurs homologues naines brunes flottant librement.

Les résultats suggèrent deux possibilités. La première est que les compagnons de la masse planétaire sont en fait des naines brunes. La deuxième possibilité est que les compagnons examinés dans cette étude sont des planètes qui se sont formées, comme le font les planètes, à partir de disques de matière tourbillonnant autour de leurs étoiles, mais pour des raisons encore inconnues, les objets se sont retrouvés avec des vitesses de rotation similaires à celles des naines brunes. Certains chercheurs pensent que les planètes nouvellement formées et les naines brunes sont encerclées par des disques de gaz miniatures qui pourraient aider à ralentir leur vitesse de rotation. En d'autres termes, des processus physiques similaires peuvent laisser des planètes et des naines brunes avec des vitesses de rotation similaires.

"C'est une question de nature contre culture, " dit Knutson. " Les compagnons planétaires sont-ils nés comme des naines brunes, ou ont-ils juste fini par se comporter comme eux avec des tours similaires ?"

L'équipe dit également que les compagnons tournent plus lentement que prévu. Les planètes en croissance ont tendance à être entraînées par la matière qu'elles tirent d'un disque de gaz environnant, de la même manière que les patineurs sur glace augmentent leur vitesse, ou moment cinétique, lorsqu'ils rentrent leurs bras. Les vitesses de rotation relativement lentes observées pour ces objets indiquent qu'ils ont réussi à freiner efficacement ce processus de mise en rotation, peut-être en transférant une partie de ce moment angulaire aux disques de gaz qui l'entourent. Les chercheurs prévoient de futures études sur les vitesses de rotation pour approfondir la question.

"Les taux de rotation des corps de masse planétaire en dehors de notre système solaire n'ont pas été entièrement explorés, " dit Bryan. "Nous commençons tout juste à l'utiliser comme un outil pour comprendre les histoires de formation des objets de masse planétaire."