ALMA dévoile le fonctionnement d'un système planétaire proche

Un nouvel observatoire, encore en construction, a permis aux astronomes de faire une découverte capitale pour comprendre un système planétaire proche et leur a fourni des données essentielles pour comprendre comment de tels systèmes se forment et évoluent. Les astronomes utilisant le réseau d'antennes millimétrique et submillimétrique de l'Atacama (ALMA pour Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) ont découvert que les planètes orbitant autour de l'étoile Fomalhaut devaient être de taille beaucoup plus petite que l'on ne pensait. Il s'agit là du tout premier résultat scientifique publié grâce à ALMA, ouvert aux astronomes du monde entier depuis peu pour sa première période d'observation.


Cette découverte a été rendue possible grâce à l'exceptionnelle qualité des images fournies par ALMA, sur lesquelles apparaît très nettement un disque ou anneau de poussières orbitant autour de Fomalhaut, une étoile située à quelque 25 années-lumière de la Terre. Elle permet de lever une controverse parmi les premiers observateurs de ce système. En effet, les images d'ALMA montrent que les bords tant intérieurs qu'extérieurs du mince disque de poussières sont très fins. Cette observation, combinée à diverses simulations numériques, a amené les scientifiques à la conclusion suivante: les particules de poussières du disque demeurent dans le disque en raison des effets gravitationnels produits par deux planètes - l'une étant située à plus grande proximité de l'étoile que le disque et l'autre plus distante (1).

Leurs calculs ont par ailleurs révélé les probables dimensions des planètes - plus grosses que Mars, mais pas plus grosse quelques fois la taille de la Terre. Plus petites donc que les astronomes ne le pensaient. En 2008, une image prise par le télescope Hubble (NASA/ESA) avait permis de découvrir l'existence de la planète intérieure, que l'on pensait alors plus grosse que Saturne, la seconde plus grande planète de notre Système Solaire. Toutefois, des observations ultérieures, effectuées à l'aide de télescopes infrarouges, n'avaient pas permis de détecter la planète.

Cet échec avait conduit quelques astronomes à douter de l'existence réelle de la planète sur l'image fournie par Hubble. De plus, l'image prise par Hubble dans le domaine visible révélait l'existence de très petits grains de poussière poussés vers l'extérieur par le rayonnement de l'étoile, brouillant ainsi la structure du disque de poussière. Les observations effectuées à l'aide d'ALMA, à des longueurs d'onde supérieures à celle de la lumière visible, ont permis de détecter de gros grains de poussière - dont le diamètre avoisine le millimètre - qui ne sont pas mis en mouvement par le rayonnement de l'étoile. Sont ainsi apparus les bords fins du disque ainsi que sa structure annulaire, qui témoigne de l'effet gravitationnel des deux planètes.

"En combinant les observations faites par ALMA de la forme du disque avec les modèles numériques, nous sommes parvenus à définir très précisément la masse et l'orbite de chacune des planètes situées à proximité de l'anneau" déclare Aaron Boley (Bourse Sagan à l'Université de Floride, USA), le responsable de cette étude. Et d'ajouter: "les masses de ces planètes doivent être petites; dans le cas contraire, les planètes détruiraient l'anneau". Aux dires des scientifiques, les petites tailles des planètes expliquent l'impossibilité de les détecter au moyen des observations infrarouges précédentes.

Les données issues d'ALMA montrent que la largeur de l'anneau équivaut à environ 16 fois la distance Terre-Soleil, et que son épaisseur représente le septième de sa largeur. "L'anneau est encore plus étroit et fin que nous le pensions" déclare Matthew Payne, également de l'Université de Floride. L'anneau se situe à environ 140 fois la distance Terre-Soleil de l'étoile. Dans notre propre Système Solaire, la distance séparant Pluton du Soleil équivaut à environ 40 fois la distance Terre-Soleil. "En raison de la petitesse de la taille des planètes situées à proximité de cet anneau et de la grande distance qui les sépare de leur étoile-hôte, elles figurent parmi les planètes les plus froides en orbite autour d'une étoile normale" ajoute Aaron Boley.

Les scientifiques ont observé le système de Fomalhaut en septembre et octobre 2011, alors que seuls 25% des 66 antennes du réseau ALMA étaient opérationnelles. L'an prochain, lorsque la construction du réseau sera achevée, la totalité du réseau d'antennes pourra être utilisée. Déjà dans cette phase pré-opérationnelle, ALMA s'est avéré suffisamment puissant pour révéler les détails d'une structure qui avaient échappé aux premiers observateurs dans le domaine millimétrique.

"ALMA est encore en construction, mais il s'affirme déjà comme le télescope le plus puissant de sa catégorie. Nous ne sommes qu'au tout début d'une nouvelle période fascinante d'étude de la formation de disques et de planètes autour d'autres étoiles", conclut Bill Dent, astronome à l'ESO et membre de l'équipe (ALMA, Chili).

ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) est un équipement international pour l'astronomie. Il est le fruit d'un partenariat entre l'Europe, l'Amérique du Nord et l'Asie de l'Est en coopération avec la République du Chili. ALMA est financé en Europe par l'ESO (Observatoire Européen Austral), en Amérique du Nord par la NSF (Fondation Nationale de la Science) en coopération avec le NRC (Conseil National de la Recherche au Canada) et le NSC (Conseil National de la Science à Taïwan), en Asie de l'Est par les Instituts Nationaux des Sciences Naturelles (NINS) du Japon avec l'Académie Sinica (AS) à Taïwan. La construction et les opérations d'ALMA sont pilotées par l'ESO pour l'Europe, par le National Radio Astronomy Observatory (NRAO) pour l'Amérique du Nord et par le National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) pour l'Asie de l'Est. L'Observatoire commun ALMA (JAO pour Joint ALMA Observatory) apporte un leadership et un management unifiés pour la construction, la mise en service et l'exploitation d'ALMA.

Notes

(1) L'effet des planètes ou de leurs satellites sur le maintien de l'étroitesse des limites d'un anneau de poussières a été pour la première fois observé lors du passage de la sonde Voyager à proximité de Saturne et de son anneau. Autre exemple dans notre Système Solaire: l'un des anneaux de la planète Uranus se trouve confiné par ses satellites Cordelia et Ophelia, tout comme semble l'être l'anneau qui entoure Formalhaut. Les satellites qui confinent ces anneaux planétaires sont qualifiés de " satellites bergers ".

Le confinement des anneaux par les satellites ou les planètes résulte d'effets gravitationnels. Une planète intérieure à l'anneau orbite plus rapidement autour de l'étoile centrale que les poussières de l'anneau. Sa gravité apporte de l'énergie aux particules, qui se trouvent éjectées vers l'extérieur. Une planète située à l'extérieur de l'anneau orbite à une vitesse plus faible que les particules de poussières autour de l'étoile centrale, et sa gravité diminue l'énergie des particules, qui se trouvent poussées vers l'intérieur.