Premier portrait d’une étoile comme le Soleil avec ses planètes !

Une équipe de scientifiques, utilisant l'instrument Sphere, installé sur le Very Large TelescopeVery Large Telescope (VLT) de l'European Southern ObservatoryEuropean Southern Observatory (ESO) depuis 2014, a acquis la toute première image d'une jeune étoile de type Soleil accompagnée de deux exoplanètes géantes grâce à des méthodes de détection directe. C'est aussi la première fois que des astronomesastronomes observent de manière directe plus d'une planète en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil ! Il faut savoir que l'imagerie directe de deux ou plusieurs exoplanètes orbitant autour de la même étoile est encore plus rare. Seuls deux systèmes de ce type ont fait l'objet d'observations directes à ce jour mais autour d'étoiles nettement différentes de notre Soleil.

L'instrument a vu un système planétaire autour d'une étoile de type Soleil, située à quelque 300 années-lumière de la Terre et baptisée TYC 8998-760-1. Cette étoile, âgée de 17 millions d'années seulement, se trouve dans la constellationconstellation australe de la Mouche. Alexander Bohn, doctorant à l'université de Leiden aux Pays Bas, auteur principal de l'étude, souligne que ce système planétaire « offre un aperçu d'un environnement particulièrement semblable à notre Système solaireSystème solaire, bien que situé à un stade beaucoup plus précoce de son évolution » et que son étoile est telle une « version très jeune de notre propre Soleil ».

Sur cette image capturée par l’instrument Sphere du VLT de l’ESO figure l’étoile TYC 8998-760-1 entourée de deux exoplanètes géantes. C’est la toute première fois que les astronomes parviennent à observer directement plus d’une planète en orbite autour d’une étoile semblable au Soleil. Cette image a été acquise au moyen d’un coronographe. Ce dispositif permet de bloquer la lumière en provenance de la jeune étoile de type Soleil (située dans l’angle supérieur gauche), et donc de détecter la présence de planètes de luminosité moindre. Les anneaux brillants et foncés qui couvrent la surface de l’étoile sont des artéfacts optiques. Les deux planètes figurent sous l’aspect de deux points brillants situés l’un au centre, l’autre dans l’angle inférieur droit de l’image. © ESO, Bohn et al.

Sur l'image de Sphere, les deux planètes figurent tels deux points brillants distants de leur étoile hôte située dans l'angle supérieur gauche du cliché. Les deux géantes gazeusesgéantes gazeuses orbitent autour de leur étoile hôte à des distances voisines de 160 et 320 fois la distance Terre-Soleil. Elles sont donc situées sur des orbites nettement plus éloignées de leur étoile que ne le sont JupiterJupiter et SaturneSaturne du Soleil, qui sont respectivement distantes de notre Soleil de cinq et dix fois la distance Terre-Soleil. En outre, l'équipe a découvert que les deux exoplanètes sont dotées de massesmasses nettement supérieures à celles de Jupiter et Saturne : l'une avoisine en effet 14 fois la masse de Jupiter, l'autre - la plus externe - six fois la masse de Jupiter.

À proprement parler, Sphere n'a pas pris un seul cliché de ce système planétaire mais toute une série d'images au cours de l'année passée qui, combinées à l'utilisation de données datées de moins de trois ans, a permis à l'équipe de confirmer l'appartenance des deux planètes au même système stellairesystème stellaire.

Des technologies optiques de pointe, toutes à la limite de l’état de l’art

L'acquisition de ces images a été possible grâce aux performances élevées de l'instrument Sphere qui, avec « des résolutionsrésolutions angulaires sans précédent, que ce soit au sol ou dans l'espace », est capable de détecter le signal d'une planète jusqu'à un million de fois plus faible que celui de son étoile hôte. Une performance remarquable qui n'étonne pas Jean-Luc Beuzit, le concepteur de l'instrument et directeur du Laboratoire d'astrophysique de Marseille. Il précise que « Sphere a été conçu pour détecter et caractériser, au moyen de l'imagerie directe, des exoplanètes gazeuses et des disques de poussières autour d'étoiles proches du Soleil ». Et comme l'instrument « n'a pas été poussé à ses limites », les astronomes devraient être capables de voir des planètes « encore plus proches de leur étoile parent ». Des simulations réalisées, avant la mise en service de l'instrument, ont montré que Sphere pourrait détecter des « planètes de masse comparable ou supérieure à celle de Jupiter et situées à plus ou moins 10 UAUA de leur étoile parent dans les cas les plus favorables ».

L’instrument Sphere (SpectroPolarimetric High contrast ExoplanetResearch), dédié à la détection directe des planètes autour d’autres étoiles, a été installé début 2014 au Very Large Telescope (VLT) de l’European Southern Observatory (ESO) au Chili au foyer d’un des quatre télescopes de 8,20 mètres. L’instrument Sphere inclut bien sûr une optique adaptative extrême mais également des optiques très spéciales pour la coronographie stellaire qui atténue la lumière de l’étoile centrale. © Sphere, Onera, J.-F Sauvage

Pour faire de l'imagerie directe à haut contrastecontraste, Sphere est équipé d'un système d'optique adaptative extrême qui « met en œuvre des concepts et des composants parmi les plus avancés à ce jour », dont le « miroirmiroir déformable qui corrige plusieurs centaines de fois par seconde, et à une échelle nanométrique, les effets de la turbulenceturbulence atmosphérique ». Avec ce système, Sphere vise une correction de 90 % de la turbulence atmosphérique contre de 50 à 60 % pour les systèmes d'optique adaptative classiques. La correction apportée permet « d'acquérir des images d'une qualité presque identique à celles d'un télescope spatialtélescope spatial de même diamètre ».

Notez que sans cette optique adaptative, les miroirs de 8,2 mètres du VLT ne feraient guère mieux, en matièrematière de résolution angulaire, qu'un télescope de seulement 50 centimètres de diamètre. Corriger la turbulence atmosphérique ne suffit pas pour observer un système planétaire. Encore faut-il que la lumière de l'étoile n'éblouisse pas l'instrument. Sphere est donc doté de plusieurs coronographescoronographes qui éliminent les photonsphotons provenant de l'étoile, « soit en les bloquant physiquement à l'aide d'une pastille opaque, soit en créant des interférencesinterférences destructives au niveau du plan focal de l'instrument ». En bloquant ainsi le « flux de lumière en provenance de l'étoile », cela a pour effet de « révéler la lumière des planètes orbitant autour ». 

Enfin, trois détecteurs vont analyser la « lumière résiduelle non bloquée par les coronographes afin d'en extraire une information pertinente sur l'environnement de l'étoile observée ». On compte une caméra d'imagerie fonctionnant dans l'infrarougeinfrarouge, un spectromètrespectromètre infrarouge et un polarimètre imageur dans le visible qui « vont permettent d'observer la scène dans différentes longueurs d'ondelongueurs d'onde et obtenir ainsi des informations complémentaires sur les objets présents ».