La rotation des 4 super-Jupiter de ce système stellaire proche a été mesurée

Il y a plus d’une décennie, des astronomes québécois obtenaient les premières images directes d’exoplanètes autour d’une étoile sur la séquence principale : HR 8799. Leurs collègues ont obtenu des estimations des vitesses de rotation propres de ces exoplanètes pour la première fois, ce qui ouvre des perspectives sur leur formation.

Il y a plus de deux siècles, le fait que les planètes du Système solaire soient toutes en orbite autour du Soleil dans des plans orbitaux très peu inclinés les uns par rapport aux autres et qu’elles tournent toutes dans le même sens avait été un indicateur précieux pour découvrir la théorie de la nébuleuse protosolaire de Kant-Laplace. Le philosophe et l’astronome, mathématicien et physicien, en avait déduit que la cosmogonie planétaire reposait sur l’existence initiale d’un nuage de matière en rotation et s’effondrant gravitationnellement. La force centrifuge perpendiculaire à l’axe de rotation du nuage s’opposant à cet effondrement, celui-ci avait fini par adopter la forme d’un disque avec au centre un proto-Soleil sphérique. D’une façon ou d’une autre, les planètes naissaient ensuite à l’intérieur de ce disque.

Les cosmogonistes planétaires modernes sont intéressés par la compréhension de la naissance des exoplanètes et par la comparaison des mécanismes qui en sont responsables avec ceux que l’on pense connaître dans le cas du Système solaire, ce qui permet de se servir des informations et contraintes observationnelles dans chaque cas pour mieux comprendre l’autre.

Des raies spectrales bavardes sur les exoplanètes
Une des informations concernant la genèse d’une planète se trouve dans sa rotation propre et pas seulement celle autour de son étoile hôte. C’est pourquoi les astronomes ont tenté de mesurer la rotation de certaines exoplanètes, et parfois avec succès il y a des années (lire notre précédent article ci-dessous). Un nouveau succès vient d’être annoncé, comme le prouve une publication d’une équipe internationale d’astronomes dans le fameux périodique Astronomical Journal.

L’article concerne un célèbre système planétaire dont quelques exoplanètes ont été les premières à être imagées directement et ce en 2008. Il s’agit de celui autour de HR 8799, une étoile variable de type K, située en direction de la constellation de Pégase à environ 130 années-lumière du Système solaire. Rappelons au passage que HD signifie que cette étoile est membre du catalogue Henry Draper (HD), un catalogue astronomique regroupant des données astrométriques et photométriques sur plus de 225.000 étoiles, nommé en l’honneur de Henry Draper (sa veuve avait financé la réalisation). Les étoiles contenues dans ce catalogue (qui couvre la totalité du ciel) sont de magnitude allant jusqu’à 9 ou 10, ce qui en fait des étoiles moyennes pour un télescope amateur et des étoiles brillantes dans un instrument professionnel.

Depuis 2008, les instruments pour la chasse aux exoplanètes et permettant de préciser leurs caractéristiques se sont affûtés. L’étude de HR 8799 avait été faite avec les télescopes du WM Keck Observatory et du Gemini North, tous deux situés sur le Mauna Kea à Hawaï. Le Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) permet de faire de la spectroscopie à haute résolution, de sorte que l’on peut maintenant non seulement étudier les décalages Doppler produits par les exoplanètes HR 8799 b, c, d et e sur la lumière de l’étoile HR 8799, ce qui donne des renseignements sur les masses de ces exoplanètes par la méthode des vitesses radiales (on sait donc que ces quatre corps célestes sont des géantes de type Jupiter voire super-Jupiter), mais aussi des effets d’élargissement sur des raies spectrales d’absorption en rapport avec la composition chimique des atmosphères des géantes gazeuses de HR 8799.

Les astrophysiciens ont donc fait coup double de cette façon, grâce au KPCI. Non seulement ils ont mis en évidence la présence de molécules d’eau et de monoxyde de carbone (CO) dans les atmosphères de certaines de ces exoplanètes, mais la largeur des raies leur a donné accès à la vitesse de rotation propre de ces astres (rappelons que l’élargissement des raies spectrales a plusieurs causes mais l’on peut séparer les effets de ces causes dans l’analyse des mesures).

Des rotations fossiles issues de la cosmogonie planétaire
Les chercheurs ont donc déterminé que les vitesses de rotation minimales des planètes HR 8799 d et e étaient de 10,1 km/s et 15 km/s, respectivement. Cela se traduit par une durée de jour qui peut être aussi courte que trois heures mais peut également aller jusqu’à 24 heures. Pourquoi une telle incertitude ? Tout simplement parce que l’effet d’élargissement mesuré est fonction aussi de l’inclinaison relative par rapport à l’observateur de l’axe des exoplanètes. Or nous ne savons pas sous quels angles les exoplanètes de HR 8799 sont actuellement observées.

C’est aussi pour cette raison que la vitesse de rotation, toujours en surface, de HR 8799 c est évaluée à 14 km/s tout au plus ; la mesure de la rotation de la HR 8799 b n’était pas concluante. Pour donner une comparaison, on peut rappeler qu’une journée sur Jupiter dure près de 10 heures, avec une vitesse de rotation d’environ 12,7 km/s.

Pour comprendre une des raisons pour laquelle les astrophysiciens sont demandeurs de données sur les rotations propres des exoplanètes, il faut parler d’une théorie du freinage de la rotation des étoiles à leur naissance, théorie que l’on a appliquée au Soleil.

Lors de l’effondrement du nuage protosolaire, la loi physique de la conservation du moment cinétique a imposé au proto-soleil de tourner de plus en plus rapidement sur lui-même au fur et à mesure qu’il se contractait et continuait à accréter de la matière. Un calcul naïf montre alors que le Soleil devrait conserver une vitesse de rotation fossile beaucoup plus importante que celle mesurée de nos jours. Pour expliquer ce désaccord, on fait appel au phénomène de freinage magnétique.

Le proto-soleil devait déjà posséder des lignes de champs magnétiques, or ces lignes s’étendaient dans la partie du disque chaud et partiellement ionisé autour de lui. La théorie de la magnétohydrodynamique des fluides chargés permettant de conclure que les lignes de champs sont en quelque sorte gelées dans le disque chaud, la rotation du proto-soleil devait se coupler à une rotation de la matière du disque qui au final va agir comme un frein (la situation est plus complexe que cela, avec des jets, mais on peut se limiter à cette considération).

Cet effet de freinage magnétique devait peut-être aussi s’appliquer aux jeunes exoplanètes géantes en formation. On peut contraindre cette théorie et ces effets justement en étudiant les vitesses de rotation des exoplanètes dans de nombreux systèmes planétaires. Nous ne sommes encore qu’au début de ces études et selon les chercheurs, les données concernant HR 8799 accréditent la théorie du freinage magnétique qui prévoit des vitesses limites de rotation. Mais il reste encore à accumuler de la statistique, comme le disent les scientifiques dans leur jargon, pour exploiter cette fenêtre d’observation des arcanes de la genèse des planètes.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-rotation-4-super-jupiter-ce-systeme-stellaire-proche-ete-mesuree-53556/

Laisser un commentaire