Planètes: les "Jupiters chauds" se seraient formés très rapidement

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Vingt ans après leur découverte, les "Jupiters chauds", ces planètes géantes gazeuses tournant de façon très rapprochée autour de leur étoile, restent encore des objets énigmatiques. En utilisant le spectro-polarimètre ESPaDOnS du Télescope Canada-France-Hawaii, une équipe internationale d'astrophysiciens menée par Jean-François Donati (CNRS) vient de montrer que ces corps pourraient ne mettre que quelques millions d'années à se rapprocher de leur étoiletout juste formée. Cette découverte devrait nous aider à mieux comprendre comment les systèmes planétaires, similaires ou différents de notre système solaire, se forment et évoluent au cours de leur existence. Elle est publiée le 9 septembre 2015 dans Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS) et en accès libre sur le site ArXiv.

Formation des étoiles et des planètes au sein de la pouponnière stellaire de la constellation du
Taureau, telle que révélée par le télescope APEX au Chili.
© ESO / APEX

Dans le système solaire, les planètes rocheuses, comme la Terre et Mars, occupent les régions proches du Soleil, alors que les planètes géantes et gazeuses, comme Jupiter ou Saturne, sont plus éloignées. D'où la surprise de Michel Mayor et Didier Queloz lorsqu'ils découvrent, il y a exactement vingt ans, la toute première exoplanète: celle-ci est en effet une planètegéante gazeuse similaire à Jupiter, mais tournant autour de son étoile vingt fois plus près que la Terre autour du Soleil.

Vue d'artiste d'une planète géante en formation dans le disque d'une étoile jeune.
© NASA / JPL

Depuis, les astronomes ont montré que ces futurs "Jupiters chauds" se forment en périphérie du disque protoplanétaire, le nuage qui donne naissance à l'étoile centrale et aux planètes environnantes, avant de migrer à l'intérieur. C'est lorsqu'elles se rapprochent ensuite au plus près de leur étoile que ces planètes géantes gazeuses se réchauffent et deviennent des Jupiters chauds - au contraire de notre Jupiter, planète géante "froide", environ 5 fois plus éloignée du Soleil que la Terre. Mais quand ces Jupiter chauds se rapprochent-ils de leur étoile ? Les astronomes imaginaient jusqu'ici deux théories possibles: ce processus peut se produire dans une phase très précoce, alors que les jeunes planètes s'alimentent encore au sein du disque originel, ou bien plus tardivement, 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.

Une équipe internationale d'astrophysiciens, comprenant plusieurs chercheurs français et menée par Jean-François Donati, de l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP, CNRS/Université Toulouse III-Paul Sabatier) (1), viendrait de montrer que le premier scénario était une réalité. Avec ESPaDOnS, le spectropolarimètre construit par les équipes de l'IRAP pour le télescope Canada-France-Hawaï (CFHT (2)), ils ont 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. L'une d'elles, V830 Tau, montre des signatures similaires à celles causées par une planète 1.4 fois plus massive que Jupiter, mais sur une orbite 15 fois plus proche de l'étoile que la Terre ne l'est du Soleil. Cette découverte 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.

Les étoiles jeunes abritent des trésors d'information sur la formation des planètes. Leur activité et leur champ magnétique très intenses les couvrent de taches des centaines de fois plus grosses que celles du Soleil. Elles engendrent donc dans leur spectre des perturbations d'amplitude bien plus importantes que celles causées par des planètes qui deviennent du coup beaucoup plus difficiles à détecter, même dans le cas des Jupiters chauds. Pour aborder ce problème, l'équipe a entrepris le programme d'observation MaTYSSE (3) dans le but de cartographier la surface de ces étoiles et de détecter d'éventuels Jupiters chauds.

En suivant ces étoiles au cours de leur rotation et par le biais de techniques tomographiques inspirées de l'imagerie médicale, il est possible de reconstruire la distribution des taches sombres et brillantes, ainsi que la topologie du champ magnétique, à la surface des étoiles jeunes. Cette modélisation rend également possible la correction des effets perturbateurs de l'activité et la détection d'éventuels Jupiters chauds. Dans le cas de 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.

SPIRou, le nouvel instrument que les équipes de l'IRAP construisent en ce moment pour le TCFH et dont la première lumière est prévue pour 2017, 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. Grâce à lui, la formation des étoiles et des planètes pourra être explorée encore plus finement.

Animations des taches, planète et champ magnétique de l'étoile jeune V830 Tau, tels que reconstruits à partir des observations ESPaDOnS:
http://www.ast.obs-mip.fr/users/donati/v830tau_spot.gif
http://www.ast.obs-mip.fr/users/donati/v830tau_spot_planet.gif
http://www.ast.obs-mip.fr/users/donati/v830tau_field.gif