Étonnement, la théorie de formation planétaire la plus admise par la communauté scientifique est une théorie jeune et en plein développement, de sorte que chaque observation d'une étape de la formation des planètes est un moyen d'affiner ce modèle théorique.

Il y a quelques mois, des observations réalisées avec l'instrument Sphere installé au Very Large TelescopeVery Large Telescope (VLT) de l'Observatoire européen austral ont mis en évidence les signes révélateurs d'un système planétaire en formation autour de la jeune étoile AB Aurigae. Ce système planétaire en formation, situé à 520 années-lumière de la Terre dans la constellation d'Auriga (le Cocher), est très bien connu des astronomesastronomes qui l'observent depuis près d'une vingtaine d'années.

Ces observations ont permis de repérer une « structure en spirale proéminente avec une "torsion" » qui marque le site « où une planète pourrait se former », nous explique Anthony Boccaletti de l'Observatoire de Paris, Université PSL (France), qui a dirigé l'étude. Cette « torsion est prédite selon certains modèles théoriques de formation planétaire », déclare la coauteure Anne Dutrey, du Laboratoire d'astrophysique de Bordeaux (LAB). Elle correspond à la « connexion de deux spirales - l'une s'enroulant vers l'intérieur de l'orbiteorbite de la planète, l'autre s'étendant vers l'extérieur - qui se rejoignent à l'emplacement de la planète ». Elles permettent au gazgaz et à la poussière du disque de « s'accréter sur la planète en formation et de la faire croître », précise la chercheuse.

Cette structure observée pourrait être la « première preuve directe de la naissance d'une planète », tient à souligner Anthony Boccaletti. Ce point de « perturbation se trouve à peu près à la même distance de l'étoile que NeptuneNeptune du SoleilSoleil », ajoute t-il.

Images du système AB Aurigae montrant le disque qui l'entoure. L'image de droite est une version agrandie de la zone indiquée par un carré rouge sur l'image de gauche. Elle montre la région interne du disque, y compris la « torsion » jaune très brillant (entourée de blanc) qui, selon les scientifiques, marque l'endroit où une planète est en train de se former. Cette torsion se trouve à peu près à la même distance de l'étoile Aurigae AB que Neptune du Soleil. Le cercle bleu représente la taille de l'orbite de Neptune. © ESO / Boccaletti et al.

Le moment et le lieu précis où se forment des planètes 

Ces observations fournissent aussi les indices cruciaux pour aider les scientifiques à mieux comprendre ce processus. « Nous devons observer de très jeunes systèmes pour vraiment saisir le moment où les planètes se forment », explique Anthony Boccaletti. Mais, jusqu'à présent, les astronomes n'avaient pas réussi à prendre des images suffisamment nettes et profondes de ces jeunes disques pour trouver le « point précis qui indique l'endroit où un bébé planète devrait être en train de naître ». C'est aujourd'hui chose faite !

Ces nouvelles images, « acquises par l'instrument Sphere et qui sont les plus précises et les plus profondes du système AB Aurigae obtenues à ce jour », montrent une « étonnante spirale de poussière et de gaz autour d'AB Aurigae ». Or, les spirales de ce type signalent la présence de bébés planètes qui « excitent » le gaz, créant des « perturbations dans le disque en forme d'ondes un peu comme le sillage d'un bateau sur un lac », explique Emmanuel Di Folco, également du LAB qui a aussi participé à l'étude. À mesure que la planète tourne autour de l'étoile centrale, cette « onde prend la forme d'un bras spiral » et la région en jaune très brillant près du centre d'AB Aurigae est « l'un de ces sites de perturbation où l'équipe pense qu'une planète est en train de se former », précise Emmanuel Di Folco.

Donnons la parole à Anthony Boccaletti :

Avez-vous une idée de la taille de la planète en formation ou s'agit-il pour l'instant d'une proto-planète ?

Anthony Boccaletti : Non pas précisément. On voit la forme que fait la spirale et on en déduit que ça colle plutôt bien avec les modèles qui considèrent ces spirales comme produites par des planètes. Mais, justement, le modèle est très simple et ne dépend pas vraiment de la massemasse de la planète. Dans l'article, on essaye de faire des estimations en supposant que la planète est entourée d'un disque circumplanétaire et que ce disque émet de la lumière en infrarougeinfrarouge. Cela implique un modèle qui relie le taux d'accrétionaccrétion de ce disque avec sa luminositéluminosité. On trouve qu'un objet de quelques masses de JupiterJupiter pourrait expliquer le flux observé.

Une future planète géante gazeuseplanète géante gazeuse donc ?

Anthony Boccaletti : Oui. Ce serait plutôt une planète massive pour produire de telles spirales aussi évidentes dans les images.

Concrètement, que voit-on de la planète sur ces images ?

Anthony Boccaletti : On voit surtout la spirale. La planète est probablement enfouie dans le gaz et la poussière et n'est pas visible. Ce qui est un peu en contradiction avec ce que j'ai dit au dessus à propos de l'estimation de sa masse en supposant que le flux mesuré est issu d'un disque circumplanétaire.

Que nous apprend cette découverte sur la formation des planètes ?

Anthony Boccaletti : On connait des disques avec des spirales, on connait des planètes imagées à l'intérieur de disques (Beta Pic b, PDS70 b, également observée avec Sphere), mais on n'a jamais pu mettre en évidence une connexion entre les deux ! Justement parce que, lorsqu'il y a une spirale, c'est que la quantité de gaz est encore trop élevée pour permettre aux observations en optique de révéler la planète. Ici, on commence à voir pour la première fois une structure dans la spirale qui correspond à ce que l'on attend si cette spirale est générée par une proto-planète. Toujours pas un lien direct mais on s'en rapproche un peu plus.

D'autres observations sont-elles prévues avec des instruments en service ou est-il nécessaire d'attendre de futurs instruments, comme ceux à bord du JWSTJWST, pour améliorer les observations de Sphere ?

Anthony Boccaletti : Ce qui ne changera pas, c'est la capacité de nos instruments à « traverser » le gaz. Celui ci sera encore là pendant... quelques milliers ou millions d'années ! Mais oui, on prévoit d'autres observations. Tout d'abord avec Sphere, pour mesurer si cette structure se déplace. On devine déjà un déplacement entre les images de Alma et celles de Sphere, mais le confirmer et obtenir une orbite képlérienne serait la preuve qu'il s'agit bien d'un objet massif, type planète, qui suit les lois de Keplerlois de Kepler. Ensuite, on a demandé aussi des observations avec Muse au VLT pour chercher si il y a une accrétion. Cela permettrait de montrer qu'un disque circumplanetaire (et donc une planète) existe.

Il sera aussi nécessaire d'augmenter la résolutionrésolution angulaire sur cet objet ?

Anthony Boccaletti : Effectivement. Ce sera nécessaire pour résoudre encore mieux la torsion de la spirale et comparer avec des modèles plus compliqués, dits hydrodynamiques. Cela sera possible avec l'Extremely Large Telescope de l'ESOESO, en cours de constructionconstruction. Nous devrions être en mesure de voir directement et plus précisément comment la dynamique du gaz contribue à la formation des planètes. Le télescope spatial James Webb (JWST), dont le lancement est prévu en mars 2021, pourrait être utilisé pour mesurer le flux de l'objet en infrarouge moyen, surtout s'il y a un disque circumplanétaire car son flux sera plus élevé à 10 micronsmicrons qu'à 1 ou 2 microns.

AB Aurigae : la formation d'une planète en direct ?

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 28/03/2008

Une équipe d'astronomes de l'American Museum of Natural History vient d'utiliser la coronographie, introduite initialement en physiquephysique solaire, pour observer le disque protoplanétairedisque protoplanétaire de l'étoile AB Aurigae. Ils ont localisé une zone où une planète serait en formation juste sous nos yeuxyeux.

L'étoile AB Aurigae fait l'objet de l'attention de nombreux astrophysiciensastrophysiciens depuis environ une dizaine d'années. Elle a été observée par les télescopestélescopes HubbleHubble, Subaru et même avec l'interféromètreinterféromètre du Plateau de Bure de l'Institut de Radioastronomie Millimétrique (Iram). Située à environ 470 années-lumière, cette très jeune étoile, âgée de un à trois millions d'années, est de type Herbig Ae et sa masse est d'environ deux fois celle du Soleil. Elle est entourée d'un coconcocon de gaz et de poussières et possède même un disque protoplanétaire. Depuis plusieurs années, les chercheurs pensent que AB Aurigae est un laboratoire idéal pour nous montrer comment un disque de gaz et de poussière épais devient un disque mince beaucoup moins riche en gaz mais dans lequel des planétésimaux commencent à former des planètes.

Figure 1. Cliquez pour agrandir. Le disque protoplanétaire de AB Aurigae observé par coronographie en 2004 avec Subaru. Notez la structure en spirale et l'échelle : la barre jaune en bas à gauche de l'image de droite indique une distance correspondant à 1 seconde d'arc, représentant 144 Unités Astronomiques (1 UA vaut environ 150 millions de kilomètres).

Aujourd'hui, l'astrophysicien Ben R. Oppenheimer et ses collègues observent le disque de AB Aurigae en utilisant la même technique que celle déjà employée par le télescope japonais Subaru au sommet du Mauna Kea à Hawaï. Il s'agit d'une technique introduite au début des années 1930 par l'astronome français Bernard LyotBernard Lyot, la coronographie.

L'idée de base est simple, consistant à réaliser un instrument qui permette de faire des observations équivalentes à celles que l'on peut faire de la couronne solairecouronne solaire lors d'une éclipseéclipse. La conception de l'instrument, elle, n'est pas simple. Il faut en effet analyser finement les processus de diffractiondiffraction et de réflexion causés par l'introduction d'un cache dans une lunette afin de former une image acceptable. Cela revient aussi, dans le cas du Soleil, à séparer la lumière en provenance de la couronne solaire de celle diffractée par le bord de l'objectif principal. Il est facile de comprendre que cette technique peut être employée pour observer un disque protoplanétaire proche d'une étoile et originellement noyé dans la lumière de celle-ci.

C'est précisément le but des astronomes engagés dans le Lyot Project, comme Ben R. Oppenheimer, qui utilisent le télescope US AirAir Force AEOS (Advanced Electro Optical System). Situé à l'Air Force Maui Optical Station sur le volcanvolcan Haleakala à Maui, AEOS est l'un des systèmes d'optique adaptative le plus performant du monde. Son miroirmiroir déformable de 3,63 mètres de diamètre est commandé par 941 vérins pilotés par ordinateurordinateur et qui en modifient en permanence la forme pour corriger les distorsions des images causées par la turbulenceturbulence atmosphérique. 

Figure 2. Une zone noire en forme de fer à cheval avec un point rouge apparaît sur un zoom de l'image prise avec un coronographe. Il s'agirait d'une zone appauvrie en poussières, gaz et débris dans le disque entourant AB Aurigae et mise en évidence par la technique de coronographie. L'explication le plus probable est que le point rouge est une exoplanète ou une naine brune en cours de formation. Crédit : The Lyot Project

En regardant de plus près les dernières images de AB Aurigae, les chercheurs du Lyot Project ont découvert qu'il existait une zone appauvrie en gaz et en poussières dans le disque protoplanétaire de l'étoile comme le montre la figure 2. Mieux, à l'intérieur de cette zone, la densité de poussières et de gaz augmente à nouveau.

L'interprétation la plus simple de ces observations est que l'on est en présence d'une planète en formation accrétant du gaz et de la poussière et donc faisant le ménage autour d'elle. Il pourrait aussi s'agir d'une naine brune, ni vraiment une étoile ni tout à fait une géante gazeuse. Pour être sûr de sa nature, il faudrait déterminer la masse de l'objet et vérifier qu'il dépasse bien une dizaine de fois la masse de Jupiter. Certains arguments théoriques, cependant, rendent peu crédible la formation d'une naine brunenaine brune dans un disque protoplanétaire comme le rappelle Oppenheimer, mais il faudra peut-être justement revoir la copie à ce sujet.

En attendant, les recherches continuent et ne devraient pas tarder à nous fournir de nouvelles lumières sur le processus de genèse de notre propre système solairesystème solaire.