Mauvais alignement : découverte d’un étrange système stellaire à 4 étoiles qui n’existait qu’en théorie

Des astronomes utilisant le télescope ALMA ont découvert un disque formant des planètes (disque protoplanétaire) curieusement incliné dans un système stellaire binaire (2 étoiles) double (2X2  = 4 étoiles), une configuration qui jusque-là n’existait qu’en théorie.

Les astronomes pensent que lorsque notre Soleil était encore jeune, il était entouré d’un disque de poussière et de gaz à partir duquel les planètes se sont formées. Il est en outre théorisé que la majorité des étoiles de notre Univers sont au départ entourées de cette façon par un disque protoplanétaire et que dans environ 30% des cas, ces disques vont devenir une planète ou un système de planètes.

Normalement, on pense que ces disques orbitent autour de la bande équatoriale (ou écliptique) d’une étoile ou d’un système d’étoiles. Cependant, de nouvelles recherches menées par un groupe international de scientifiques ont découvert le premier exemple d’un système stellaire binaire où l’orientation était inversée et où le disque orbite maintenant les étoiles autour de leurs pôles, perpendiculairement à l’écliptique.

Image d’entête : représentation artistique du système HD 98800, avec le disque protoplanétaire et la paire binaire interne. La paire binaire externe n’est pas affichée. (Université de Warwick/ Mark Garlick)

Pour leur étude récemment publiée (lien en fin d’article), l’équipe s’est appuyée sur l’Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array (ALMA) pour obtenir des images haute résolution de HD 98800, un système stellaire quadruple à environ 146,4 années-lumière de la Terre. Dans ce système, ils ont repéré une paire binaire interne (HD 98800BaBb) de deux étoiles semblables au Soleil entourées d’un disque de la taille d’une ceinture d’astéroïdes.

Cette découverte confirme quelque chose qui n’était auparavant qu’une théorie pour les astronomes, à savoir que certains disques de poussière pouvaient avoir une configuration polaire.

Selon le Pr Grant M. Kennedy, de l’université de Warwick (Royaume-Uni) et premier auteur de l’étude :

Des disques riches en gaz et en poussières sont observés autour de presque toutes les jeunes étoiles, et nous savons qu’au moins un tiers de celles qui orbitent autour d’une seule étoile forment des planètes. Certaines de ces planètes finissent par être désalignées avec la rotation de l’étoile, alors nous nous sommes demandé si une chose similaire pourrait être possible pour les planètes circumbinaires. Une bizarrerie de la dynamique signifie qu’un soi-disant désalignement polaire devrait être possible, mais jusqu’à présent nous n’avions aucune preuve de disques mal alignés dans lesquels ces planètes pourraient se former.

Bien qu’ils soient difficiles à observer à l’aide d’optiques conventionnelles, les disques de poussière sont relativement faciles à étudier dans les longueurs d’onde radio et infrarouge lointain, grâce au rayonnement absorbé par leurs étoiles. Le Pr Kennedy et ses collègues chercheurs se sont fiés à la capacité reconnue de l’ALMA d’étudier des objets dans ces longueurs d’onde afin de déterminer l’orientation du disque protoplanétaire circumbinaire d’HD 98800BaBb.

L’orbite du binaire était déjà connue grâce à de précédentes recherches qui ont déterminé comment les étoiles s’orbitent les unes par rapport aux autres. En combinant cela avec les données obtenues par l’ALMA, le Pr Kennedy et son équipe ont pu établir que l’orientation du disque de débris était compatible avec une orbite parfaitement polaire. Cela signifie que pendant que les deux étoiles orbitent l’une autour de l’autre sur un plan, le disque orbite sur un plan qui leur est perpendiculaire.

L’aspect le plus excitant de cette découverte, selon le Dr Kennedy, est qu’elle démontre que les planètes peuvent se former dans des conditions radicalement différentes de celles que nous connaissons. Comme il l’a dit :

Ce qui est peut-être le plus excitant dans cette découverte, c’est que le disque présente quelques-unes des mêmes signatures que celles que nous attribuons à la croissance de poussière dans les disques autour des étoiles simples. Nous en déduisons que la formation de planètes peut au moins commencer dans ces disques polaires circumbinaires. Si le reste du processus de formation de planètes peut se produire, il pourrait y avoir toute une population de planètes circumbinaires mal alignées que nous n’avons pas encore découvertes, et des choses comme des variations saisonnières bizarres à considérer.

Ainsi, si des planètes dans ce système existait, vous apercevriez à la surface des planètes un anneau lumineux apparaissant la nuit, s’étendant du bas de l’horizon jusqu’en haut (image ci-dessous). Le cycle diurne serait également très différent, puisque les deux étoiles se déplacent verticalement et horizontalement dans le ciel au cours d’une année. Et à certains moments de l’année, une seule étoile était visible lorsqu’elles étaient en orbite l’une autour de l’autre.

Représentation artistique de la vue à partir de la surface d’une planète hypothétique à l’intérieur du disque protoplanétaire, avec la paire binaire affichée en haut. (Université de Warwick/ Mark Garlick)

La configuration polaire entraînerait également d’inhabituelles variations saisonnières, où les différentes latitudes recevraient plus ou moins d’éclairement tout au long de la période orbitale de la planète. Combinées à la propre rotation de la planète, les températures et les conditions de lumière du jour varieraient considérablement autour de l’équateur. Selon la période orbitale, les régions polaires pourraient connaître des étés et des hivers qui dureraient des années.

Cette dernière découverte indique qu’en plus d’avoir des compositions et des environnements étranges, les planètes extrasolaires (exoplanète) peuvent aussi avoir d’étranges orbites, comme l’explique le Dr Daniel Price, professeur au Monash Center for Astrophysics (MoCA – Université Monash/ Australie) et coauteur de l’étude :

Nous avions l’habitude de penser que d’autres systèmes solaires se formeraient comme le nôtre, les planètes étant toutes en orbite dans la même direction autour d’un seul soleil. Mais avec ces nouvelles images, nous voyons un disque tourbillonnant de gaz et de poussière en orbite autour de deux étoiles. Il était tout à fait surprenant de constater également que ce disque orbite à angle droit par rapport à l’orbite des deux étoiles. Incroyablement, deux autres étoiles ont été vues en orbite autour de ce disque. Donc si des planètes étaient nées ici, il y aurait quatre soleils dans le ciel !

En plus d’être une première scientifique qui valide les prédictions faites par les astronomes, cette dernière découverte pourrait aussi nous apprendre beaucoup de choses sur la façon dont les planètes peuvent se former dans d’autres systèmes solaires. Puisque les cycles orbital et diurne sont un facteur majeur lorsqu’il s’agit de la vie sur Terre, peut-être que ce système et d’autres identiques pourraient aussi nous apprendre une chose ou deux sur la façon dont la vie peut émerger sur d’autres planètes.

L’étude publiée dans Nature : A circumbinary protoplanetary disk in a polar configuration et présentée sur le site de l’université de Warwick : Double star system flips planet-forming disk into pole position.