Des lunes se forment-elles autour de cette planète géante au gaz?

Image composite d'un disque autour de la jeune étoile PDS 70, à 370 années-lumière. Les 2 planètes du système sont marquées. Les astronomes ont découvert que la jeune planète, baptisée PDS 70c, possède un disque circumplanétaire, lieu de naissance possible d'exomoons. Image via ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / A. Isella / ESO.

Il est bien connu que les planètes naissent dans des disques circumstellaires de gaz et de poussière entourant de jeunes étoiles, et nombre d'entre eux ont été observés par les astronomes. De même, on pense que des lunes se forment dans des disques similaires entourant des planètes, mais elles ont été plus difficiles à trouver. Ce mois-ci (le 11 juillet 2019), les astronomes ont annoncé la découverte d'un disque de ce type entourant une jeune planète géante gazeuse dans le système d'étoiles PDS 70, à 370 années-lumière de distance. Il s'agit de la toute première observation du genre de disque circumplanétaire qui aurait donné naissance aux lunes de Jupiter dans notre système solaire il y a plus de 4 milliards d'années.

L'article de découverte revu par des pairs a été publié dans The Astrophysical Journal Letters le 11 juillet.

Les scientifiques pensent que cela ressemble au type de disque qui entourait Jupiter et donnait naissance à ses nombreuses lunes, car il entoure une jeune planète géante du gaz encore en développement, appelée PDS 70 c. Comme l'astronome Andrea Isella de l'Université Rice a expliqué:

Des planètes se forment à partir de disques de gaz et de poussière autour d'étoiles nouvellement formées. Si une planète est assez grande, elle peut former son propre disque lorsqu'elle rassemble des matériaux sur son orbite autour de l'étoile. Jupiter et ses lunes sont un petit système planétaire dans notre système solaire, par exemple, et on pense que les lunes de Jupiter se sont formées à partir d'un disque circumplanétaire quand Jupiter était très jeune.

Comme Isella l’a également noté dans un article de l’Observatoire national de radioastronomie (NRAO):

Pour la première fois, nous pouvons voir de manière concluante les signes révélateurs d’un disque circumplanétaire, qui permet de soutenir nombre des théories actuelles sur la formation de la planète. En comparant nos observations aux images infrarouges et optiques haute résolution, nous pouvons clairement constater qu'une concentration autrement énigmatique de minuscules particules de poussière est en réalité un disque de poussière qui entoure la planète, la première caractéristique de ce type jamais observée de manière concluante.

Comparaison du disque circumplanétaire et du PDS 70c, vue par ALMA (à gauche) et par VLT (à droite). L'image infrarouge du VLT montrait la deuxième planète PDS 70b, mais pas le PDS 70c ni le disque. Image via A. Isella / ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / Université du riz.

On pense que ces types de disques circumplanétaires ne durent pas très longtemps, environ 10 millions d’années. Les astronomes doivent donc examiner les très jeunes systèmes stellaires, où les planètes sont encore en formation. Seules quelques planètes candidates ont déjà été trouvées. Selon Isella:

Une poignée de planètes candidates ont été détectées dans les disques, mais il s’agit d’un champ très nouveau et elles font toujours l’objet de débats. (PDS 70b et PDS 70c) sont parmi les plus robustes car il y a eu des observations indépendantes avec différents instruments et techniques.

Les astronomes ont fait cette découverte en utilisant l'énorme réseau Atmaama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) au Chili; Les signaux radio à ondes millimétriques ont révélé la présence de grains de poussière là où le PDS 70c et sa planète sœur, le PDS 70b, se forment toujours dans le plus grand disque circumstellaire.

Le PDS 70b avait été observé pour la première fois en 2018 par l’instrument SPHERE sur le très grand télescope (VLT) de l’Observatoire européen austral. SPHERE a utilisé la lumière infrarouge pour voir les planètes en formation dans le disque de poussière. En juin de cette année, les astronomes ont utilisé un instrument VLT différent, appelé MUSE, qui observe in a une longueur d'onde visible de la lumière appelée H-alpha. Cette longueur d'onde est émise lorsque l'hydrogène tombe sur une étoile ou une planète et s'ionise. C'était encore mieux pour confirmer que les planètes étaient vraiment là, comme l'expliquait Isella:

H-alpha nous donne plus de confiance en ce qu’il s’agit de planètes car cela suggère qu’elles aspirent toujours du gaz et de la poussière et se développent.

Image ALMA du système PDS 70, montrant le disque circumstellaire plus grand entourant la jeune étoile. Les deux petites taches sont les deux planètes en formation. Image via ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / A. Isella

Les nouvelles observations d'ALMA s'ajoutent à ces preuves antérieures, montrant que non seulement les planètes sont réelles, mais qu'elles possèdent le type de disques les entourant qui devraient éventuellement former des lunes. Isella a ajouté:

C'est complémentaire aux données optiques et fournit une confirmation complètement indépendante qu'il y a quelque chose là.

Les observations ALMA sont précieuses car elles sont moins limitées que celles du VLT. Comme Isella a expliqué:

Cela signifie que nous pourrons revenir à ce système à différentes périodes et mieux cartographier l'orbite des planètes et la concentration de poussière dans le système. Cela nous donnera des informations uniques sur les propriétés orbitales des systèmes solaires à leurs tout premiers stades de développement.

Les nouvelles données ALMA montrent également qu'il existe des différences distinctes entre les deux planètes. Le plus profond, PDS 70b, se trouve à peu près à la même distance de son étoile qu'Uranus à notre soleil et porte derrière lui une masse de poussière ressemblant à une queue. Selon Isella:

Ce que c'est et ce que cela signifie pour ce système planétaire n'est pas encore connu. La seule chose qui puisse nous convaincre, c’est que la planète est suffisamment éloignée pour être un élément indépendant.

Le PDS 70c, la plus extérieure des deux planètes, brille de mille feux dans les bandes de lumière infrarouge et hydrogène. Cela signifie que c'est probablement une planète entièrement formée, bien que du gaz supplémentaire à proximité soit encore siphonné à la surface de la planète. Le PDS 70 c se situe à peu près à la même distance de son étoile que Neptune de notre soleil, et on estime que sa masse est entre 1 et 10 fois supérieure à celle de Jupiter. Si elle se situe au plus haut de cette échelle, elle pourrait avoir des lunes de la taille d'une planète, selon Isella:

Si la planète se situe à l'extrémité supérieure de cette estimation, il est fort possible que des lunes de la taille d'une planète se forment autour d'elle.

Andrea Isella. Image via l'Université Rice.

Une lune de la taille d' une planète a peut-être déjà été trouvée, gravitant autour de la planète géante du gaz Kepler-1625b, à 8 000 années-lumière de la Terre. Cette lune, si elle est réelle, a à peu près la taille de Neptune, un phénomène inouï dans notre système solaire. Cette découverte potentielle fait toutefois l’objet de nombreux débats et n’a pas encore été confirmée.

Ces découvertes sont passionnantes car les scientifiques planétaires ont longtemps pensé que les planètes d'autres systèmes solaires devraient avoir des lunes, comme dans notre propre système solaire. Mais les trouver est difficile, et aucune n'a encore été confirmée, car elles sont beaucoup plus petites que leurs planètes hôtes. Si les disques circumplanétaires tels que celui entourant le PDS 70c sont communs, cela voudrait dire que les lunes le sont probablement aussi. Certains, voire peut-être beaucoup, pourraient être des lunes océaniques comme Europa et Enceladus dans notre système solaire, où la vie pourrait éventuellement exister.

La découverte de tels disques circumplanétaires aidera également les astronomes à mieux comprendre comment se forment les systèmes planétaires, selon Isella:

Il y a beaucoup de choses que nous ne comprenons pas sur la formation des planètes, et nous disposons enfin des instruments nécessaires pour faire des observations directes et commencer à répondre aux questions sur la formation de notre système solaire et sur la formation d'autres planètes.

Concept artistique du disque circumplanétaire de gaz et de poussière entourant la jeune planète géante du gaz PDS 70 c. Les preuves suggèrent que des lunes pourraient se former dans ce disque. Image via NRAO / AUI / NSF / S. Dagnello.

En résumé: Pour la première fois, les astronomes ont confirmé la présence d’un disque de gaz et de poussière circumplanétaire autour d’une jeune planète géante gazeuse, où des lunes extraterrestres pourraient se former.

Source: Détection des émissions submillimétriques du continuum associées aux protoplanètes candidates

Université Via Rice

Via l'observatoire national de radioastronomie