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Des Jupiters chauds dans les pouponnières stellaires ?

publié le , mis à jour le

Des observations menées avec le spectropolarimètre ESPaDOnS au TCFH permettent de mettre en évidence la signature de Jupiters chauds orbitant autour d’étoiles nouveau-nées. Cette découverte devrait nous aider à mieux comprendre comment les systèmes planétaires se forment et évoluent au cours de leur existence.

Détectés pour la première fois il y a 20 ans, les Jupiters chauds [1] restent aujourd’hui des objets énigmatiques. Ces corps célestes sont des planètes géantes similaires à Jupiter, mais dont l’orbite est 20 fois plus resserrée que celle de la Terre autour du Soleil.

En utilisant le spectropolarimètre ESPaDOnS équipant le Télescope Canada-France-Hawaii (TCFH [2]) au sommet du Mauna Kea, un volcan endormi de la grande île d’Hawaii, une équipe internationale d’astrophysiciens menée par Jean-François Donati (CNRS/INSU, UFTMiP, OMP, IRAP [3]) et à laquelle participe Julien Morin (Université de Montpellier, CNRS, LUPM [4]) vient de montrer que les Jupiters chauds pourraient ne mettre que quelques millions d’années à se former - une durée relative d’à peine une semaine si l’on ramène la longévité d’une étoile comme le Soleil à celle d’un être humain.

Cette découverte, publiée dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), devrait nous aider à mieux comprendre comment les systèmes planétaires se forment et évoluent au cours de leur existence.

Un Jupiter chaud en orbite autour de V830 Tau...


À l’aide d’ESPaDOnS, le spectropolarimètre qui équipe le TCFH, l’équipe menée par J.-F. Donati a observé des étoiles en formation au sein d’une pouponnière stellaire située à environ 450 années lumière de la Terre dans la constellation du Taureau [5].

La région de formation stellaire de la constellation du Taureau, telle que révélée par le télescope APEX au Chili opérant aux longueurs d’ondes submillimétriques - Crédit : ESO/APEX (MPIfR/ESO/OSO)/A. Hacar et al./Digitized Sky Survey 2

Parmi celles scrutées récemment, l’équipe vient d’en identifier une, surnommée V830 Tau, qui montre des signatures similaires à celles causées par une planète d’1,4 fois la masse de Jupiter, mais sur une orbite 15 fois plus proche de l’étoile que la Terre ne l’est du Soleil. Cette découverte, publiée dans MNRAS [6], suggère que les Jupiters chauds peuvent être extrêmement jeunes et potentiellement bien plus fréquents autour des étoiles en formation qu’au voisinage d’étoiles « adultes » comme le Soleil.

… une étoile nouveau-née très active


De par leur monstrueuse activité et leur champ magnétique très intense, les étoiles nouveau-nées sont couvertes de taches des centaines de fois plus grosses que celles du Soleil, ce qui engendre dans leur spectre des perturbations d’amplitude bien plus importante que celles causées par des planètes — qui deviennent du coup beaucoup plus difficiles à détecter, même dans le cas de planètes géantes. « Nous avons modélisé la distribution des régions magnétiques ainsi que des tâches sombres et brillantes à la surface de V830 Tau grâce à une technique d’imagerie tomographique. Cela nous a permis de soustraire la signature spectrale de l’activité de l’étoile et d’identifier des variations dans le spectre de V830 Tau qui pourraient être dues à un Jupiter chaud » précise Julien Morin.

Distribution des taches (à gauche) et champ magnétique (à droite) à la surface de l’étoile jeune V830 Tau, tels que modélisées à partir des observations ESPaDOnS

Une clé pour comprendre la formation des systèmes planétaires


Dans le système solaire, les planètes rocheuses, comme la Terre et Mars, occupent les régions proches du Soleil, alors que les planètes géantes, comme Jupiter ou Saturne, restent cantonnées dans les confins. Les astronomes ont montré que les Jupiters chauds se forment dans les régions externes du disque protoplanétaire – la matrice qui donne naissance à l’étoile centrale et aux planètes environnantes – avant de migrer vers les régions internes tout en évitant autant que possible de tomber sur l’étoile. Ce processus peut se produire dans une phase très précoce, alors que les jeunes planètes s’alimentent encore au sein du disque primordial. Ou alors bien plus tard, une fois que de nombreuses planètes ont été formées et interagissent en une chorégraphie si instable que certaines d’entre elles se retrouvent propulsées au voisinage immédiat de l’étoile centrale.

Dans le cas de l’étoile nouveau-née V830 Tau, les auteurs sont parvenus à découvrir, grâce à cette nouvelle technique, un signal enfoui suggérant la présence d’une planète géante. Même si de nouvelles données sont nécessaires pour valider la détection, ce premier résultat prometteur démontre clairement que la méthode proposée peut nous fournir les clés de l’énigme de la formation des Jupiters chauds.

Vue d’artiste d’une planète géante en formation dans le disque d’une étoile jeune.
Crédit : NASA / JPL

Vers de nouvelles découvertes avec SPIRou


SPIRou est le nouveau spectropolarimètre actuellement en construction pour le TCFH et dont la première lumière est prévue en 2017. Il permettra de repousser encore les limites de la méthode, grâce à sa capacité à observer dans l’infrarouge — domaine dans lequel les étoiles jeunes sont beaucoup plus brillantes.

Les chercheurs du groupe d’astrophysique stellaire du LUPM contribuent dès à présent à la préparation du futur grand relevé qui sera mené avec SPIRou [7] pour mieux comprendre – entre autres – la formation des étoiles et des planètes.

Le télescope TCFH situé au sommet du Mauna Kea à Hawaii

[1Les 3 premières exoplanètes géantes, Observatoire de Paris

[5Ces observations sont menées dans le cadre du grand programme MaTYSSE Magnetic Toplogies of Young Stars and the Survival of close-in giant Exoplanets du TCFH : MaTYSSE au TCFH, Wiki du projet MaTYSSE (en anglais)

[6Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Oxford University Press, en accès libre sur arXiv:1509.02110

[7SPIRou est un spectropolarimètre infrarouge (d’où l’acronyme) doublé d’un vélocimètre de précision, optimisé pour la détection des exoplanètes jumelles de la Terre autour des étoiles naines rouges proches, ainsi que pour l’étude de la formation des étoiles et de leur système de planètes. SPIRou est un projet international mené par la France, et impliquant le TCFH, le Canada, le Brésil, Taiwan, la Suisse et le Portugal.

La construction de SPIRou a débuté en 2015, avec une intégration à Toulouse prévue pour 2016 et une première lumière au TCFH pour 2017.Wiki du SPIRou Legacy Survey (en anglais)