Image du système HD 169142 montrant le signal de la planète en formation HD 169142 b (vers 11 heures), ainsi qu’un bras spiralé brillant résultant de l’interaction dynamique entre la planète et le disque dans lequel elle se trouve. Le signal de l’étoile, 100 000 fois plus brillante que la planète, a été soustrait par une combinaison de composants optiques et de traitement d’image (masque au centre de l’image). Les observations à différents moments montrent l’avancée de la planète sur son orbite au cours du temps. Image obtenue avec l’instrument VLT/SPHERE de l’ESO. Crédit : V. Chrisitaens / ULiège
Située à 374 années-lumière de la Terre, HD169142 b a été confirmée comme étant une protoplanète par une équipe de chercheurs de l’Université de Liège et de l’Université Monash.
Une équipe internationale de chercheurs – dont Valentin Christiaens de l’Université de Liège – vient de publier les résultats de l’analyse des données de l’instrument SPHERE de l’Observatoire européen austral (ESO), qui confirme l’existence d’une nouvelle protoplanète. Ce résultat a été rendu possible grâce à des outils avancés de traitement d’images développés par le PSILab de l’Université de Liège. L’étude est publiée dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).
Les planètes se forment à partir d’amas de matière dans les disques entourant les étoiles naissantes. Lorsque la planète est encore en formation, c’est-à-dire lorsqu’elle est encore en train d’accumuler de la matière, on l’appelle une protoplanète. À ce jour, seules deux protoplanètes ont été identifiées sans ambiguïté comme telles, PDS 70 b et c, toutes deux en orbite autour de l’étoile PDS 70. Ce nombre vient d’être porté à trois avec la découverte et la confirmation d’une protoplanète dans le disque de gaz et de poussière entourant HD 169142, une étoile située à 374 années-lumière de notre système solaire.
A protoplanète est une planète embryonnaire, un corps de grande taille qui est en train de devenir une planète. Elle se forme à partir d’une concentration de gaz et de poussières à l’intérieur d’un disque protoplanétaire, un anneau de matière en orbite autour d’une étoile nouvellement formée. Lorsque cette matière commence à s’agglomérer, elle crée une protoplanète qui grandit progressivement en attirant davantage de matière environnante sous l’effet d’une attraction gravitationnelle croissante.
« Nous avons utilisé les observations de l’instrument SPHERE du Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire européen austral (ESO) obtenues sur l’étoile HD 169142, qui a été observée à plusieurs reprises entre 2015 et 2019 », explique Iain Hammond, chercheur à l’Université Monash (Australie) qui a séjourné à l’ULiège dans le cadre de sa thèse de doctorat. « Comme nous nous attendons à ce que les planètes soient chaudes lors de leur formation, le télescope a pris des images infrarouges de HD 169142 pour rechercher la signature thermique de leur formation. Grâce à ces données, nous avons pu confirmer la présence d’une planète, HD 169142 b, à environ 37 UA (37 unités astronomiques, soit 37 fois la distance Terre-Soleil) de son étoile – un peu plus loin que l’orbite de Neptune ».
En 2020, une équipe de chercheurs dirigée par R. Gratton avait déjà émis l’hypothèse qu’une source compacte visible sur leurs images pourrait être la trace d’une protoplanète. Notre nouvelle étude confirme cette hypothèse à la fois par une ré-analyse des données utilisées dans leur étude et par l’inclusion de nouvelles observations de meilleure qualité.
Série d’images du système HD 169142 montrant la planète en formation HD 169142 b se déplaçant sur son orbite au fil du temps. Un bras spiralé brillant est visible dans le sillage de la planète, résultant de l’interaction dynamique entre la planète et le disque dans lequel elle se trouve. Le signal de l’étoile, qui est 100 000 fois plus brillante que la planète, a été soustrait par une combinaison de composants optiques et de traitement d’image (masque au centre de l’image). Images obtenues avec l’instrument VLT/SPHERE de l’ESO. Crédit : ESO/VLT
Les différentes images, obtenues avec l’instrument SPHERE du VLT entre 2015 et 2019, révèlent une source compacte qui se déplace dans le temps comme prévu pour une planète orbitant à 37 unités astronomiques de son étoile. Tous les jeux de données obtenus avec l’instrument SPHERE ont été analysés avec des outils de traitement d’images de pointe développés par l’équipe PSILab de l’Université de Liège.
Le dernier jeu de données considéré dans notre étude, obtenu en 2019, est crucial pour la confirmation du mouvement de la planète », explique Valentin Christiaens, chargé de recherche F.R.S.-FNRS au PSILab (Institut STAR / Faculté des Sciences) de l’ULiège. « Ce jeu de données n’avait pas été publié jusqu’à présent.
A disque protoplanétaire Le disque protoplanétaire est un disque plat et rotatif de gaz et de poussières denses qui entoure une étoile nouvellement formée. Il se forme à partir du nuage moléculaire original qui s’est effondré pour former l’étoile et contient les matériaux restants qui n’ont pas fini dans l’étoile elle-même. Ces disques jouent un rôle crucial dans la formation des systèmes planétaires, car ils constituent l’environnement dans lequel les protoplanètes se forment et grandissent.
Les nouvelles images confirment également que la planète a dû creuser une brèche annulaire dans le disque, comme le prévoyaient les modèles. Cet espace est clairement visible dans les observations du disque en lumière polarisée.
« Dans l’infrarouge, nous pouvons également voir un bras spiralé dans le disque, causé par la planète et visible dans son sillage, ce qui suggère que d’autres disques protoplanétaires contenant des spirales pourraient également abriter des planètes qui n’ont pas encore été découvertes », déclare Hammond.
Les images en lumière polarisée, ainsi que le spectre infrarouge mesuré par l’équipe de recherche, indiquent en outre que la planète est enfouie dans une quantité importante de poussière qu’elle a accrétée à partir du disque protoplanétaire. Cette poussière pourrait prendre la forme d’un disque circumplanétaire, un petit disque qui se forme autour de la planète elle-même et qui pourrait à son tour former des lunes. Cette découverte importante démontre que la détection de planètes par imagerie directe est possible même à un stade très précoce de leur formation.
« Au cours des dix dernières années, les détections de planètes en formation ont donné lieu à de nombreux faux positifs », explique Valentin Christiaens. « Hormis les protoplanètes du système PDS 70, le statut des autres candidats fait encore l’objet de vifs débats au sein de la communauté scientifique. La protoplanète HD 169142 b semble avoir des propriétés différentes de celles des protoplanètes du système PDS 70, ce qui est très intéressant. Il semble que nous l’ayons capturée à un stade plus jeune de sa formation et de son évolution, car elle est encore complètement enfouie ou entourée de beaucoup de poussière ».
Étant donné le très petit nombre de planètes en formation confirmées à ce jour, la découverte de cette source et son suivi devraient nous permettre de mieux comprendre comment les planètes, et en particulier les planètes géantes telles que Jupiter, se forment.
Une caractérisation plus poussée de la protoplanète et une confirmation indépendante pourraient être obtenues grâce à de futures observations avec le télescope spatial James Webb (JWST). La grande sensibilité du JWST à la lumière infrarouge devrait en effet permettre aux chercheurs de détecter les émissions thermiques de la poussière chaude autour de la planète.
Référence : « Confirmation and Keplerian motion of the gap-carving protoplanet HD 169142 b » par Iain Hammond, Valentin Christiaens, Daniel J Price, Claudia Toci, Christophe Pinte, Sandrine Juillard et Himanshi Garg, 4 avril 2023, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : Letters.
DOI : 10.1093/mnrasl/slad027