Le Vaste Réseau (Sub-)Millimétrique de l’Atacama (ALMA) a changé notre compréhension des disques protoplanétaires – ces usines à planètes constituées de gaz et de poussière qui encerclent les étoiles jeunes. Les anneaux et sillons qui parsèment ces disques plaident en faveur de l’existence de protoplanètes ^[2]. Toutefois, d’autres phénomènes pourraient être à l’origine de ces structures.

Mais l’utilisation d’une nouvelle méthode de détection de planètes, basée sur l’identification d’une dynamique inhabituelle du gaz qui emplit le disque protoplanétaire entourant une étoile jeune, a permis à deux équipes d’astronomes d’obtenir confirmation de l’origine planétaire de plusieurs structures ^[3].

“La mesure du flot de gaz à l’intérieur d’un disque protoplanétaire révèle, avec un degré de certitude nettement plus élevé, la présence de planètes en orbite autour d’une jeune étoile”, déclare Christophe Pinte de l’Université Monash en Australie et de l’Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble (Université de Grenoble-Alpes / CNRS) en France, auteur principal de l’un des deux articles. “Cette technique ouvre une nouvelle piste pour comprendre les processus de formation des systèmes planétaires.”

Afin d’aboutir à leurs découvertes respectives, chaque équipe a analysé les observations d’ALMA de HD 163296, une jeune étoile située à quelque 330 années lumière de la Terre dans la constellation du Sagittaire (L’Archer) ^[4]. Cette étoile est dotée d’une masse environ deux fois supérieure à celle du Soleil. Elle n’est toutefois âgée que de quatre millions d’années – ce qui représente un millième de l’âge du Soleil.

“Nous avons examiné le mouvement du gaz à petite échelle au sein du disque protoplanétaire de l’étoile. Cette approche entièrement nouvelle, combinée aux images hautes résolution d’ALMA, pourrait permettre de détecter quelques-unes des planètes les plus jeunes de notre galaxie” précise Richard Teague, astronome à l’Université du Michigan et auteur principal du second article.

Plutôt que de se focaliser sur la poussière qui emplit le disque et que les observations d’ALMA permettent de cartographier avec précision, les astronomes ont étudié le gaz de monoxyde de carbone (CO) disséminé sur l’ensemble du disque. Les molécules de CO émettent une raie millimétrique très particulière qu’ALMA est capable d’observer en détail. De subtiles variations de longueur d’onde de cette lumière générées par l’effet Doppler révèlent les mouvements du gaz au sein du disque.

L’équipe pilotée par Richard Teague a identifié la présence de deux planètes à respectivement 12 milliards et 21 milliards de kilomètres de l’étoile. L’autre équipe, pilotée par Christophe Pinte, a localisé une troisième planète distante de 39 milliards de kilomètres de l’étoile centrale ^[5].

Les deux équipes ont utilisé des versions voisines de la même méthode, à la recherche d’anomalies dans le flot de gaz – comme l’attestent les variations de longueur d’onde de la raie en émission du CO, preuves que le gaz interagit avec un objet massif ^[6].

La technique utilisée par Richard Teague reposait sur la détection de variations de l’ordre de quelques pour cent dans le flot de gaz. Elle a mis en évidence les conséquences de l’existence de plusieurs planètes sur les mouvements du gaz à proximité directe de l’étoile. La technique utilisée par Christophe Pinte permettait de mesurer le flot de gaz de façon plus directe. Elle est davantage adaptée à l’étude de la partie externe du disque. Elle a permis aux auteurs de localiser la troisième planète avec une précision plus élevée, mais se limite à la détection de déviations supérieures, de l’ordre de 10%, dans le flot de gaz.

Dans l’un et l’autre cas, les chercheurs ont identifié les zones de discontinuité dans le flot de gaz – similaires aux tourbillons qui se forment autour des rochers dans un torrent. En analysant ce mouvement avec soin, ils ont été en mesure d’estimer l’influence de corps planétaires de masses semblables à celles de Jupiter.

Cette nouvelle technique permet aux astronomes d’estimer les masses protoplanétaires avec une précision plus élevée. En outre, elle est moins susceptible de produire des faux positifs. “Nous plaçons désormais ALMA au premier rang de la détection planétaire” précise Ted Bergin de l’Université du Michigan.

L’une et l’autre équipe vont continuer d’améliorer cette méthode et l’appliquer à d’autres disques, espérant mieux comprendre la formation des atmosphères planétaires et déterminer les éléments chimiques participant à la naissance d’une planète.

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^[1] Dont des chercheurs de Monash University (Australie), de l’University of California (Etats-Unis), du National Radio Astronomy Observatory (Charlottesville, Etats-Unis) et du Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array Observatory (Santiago, Chili)

[2] Des milliers d’exoplanètes ont été découvertes ces deux dernières décennies. Toutefois, la détection de protoplanètes demeure un véritable challenge scientifique. A ce jour, aucune détection n’avait encore trouvé confirmation. Les techniques actuellement utilisées pour découvrir des exoplanètes au sein de systèmes planétaires entièrement formés – telles la mesure de l’oscillation d’une étoile ou la diminution de lumière stellaire générée par le passage d’une planète en transit – ne se prêtent pas à la détection de protoplanètes.

[3] Le mouvement du gaz autour d’une étoile en l’absence de planètes suit un schéma très simple et prévisible à la fois (rotation képlérienne), qu’il est quasiment impossible d’altérer, de manière cohérente et localement. De sorte que seule la présence d’un objet relativement massif est susceptible de générer de telles perturbations.

[4] Les surprenantes images de HD 163296 et d’autres systèmes similaires acquises par ALMA ont révélé d’étonnantes structures composées d’anneaux concentriques et de sillons vides au sein des disques protoplanétaires. Ces sillons peuvent attester de l’éjection de la poussière et du gaz par les protoplanètes le long de leurs orbites, ainsi que de leur intégration au sein de leurs propres atmosphères. Une étude antérieure du disque de cette étoile révèle que les espaces vides de poussière et de gaz se chevauchent, suggérant qu’au moins deux planètes s’y sont formées.
Toutefois, les observations initiales n’ont fourni que des preuves circonstancielles et n’ont pu être utilisées pour estimer les masses des planètes.

[5] Cela correspond à respectivement 80, 140 et 260 fois la distance séparant la Terre du Soleil.

[6] Cette technique s’apparente à celle ayant conduit à la découverte de la planète Neptune au cours du XIXème siècle. Dans ce cas, des anomalies repérées dans le mouvement de la planète Uranus ont été attribuées à l’effet gravitationnel d’un corps inconnu, qui fut découvert visuellement en 1846 et s’avéra constituer la huitième planète du Système Solaire.