Première image d’une étoile en fin de vie comprenant un système planétaire et un disque de débris

Mardi, 9 avril 2013

Une équipe d’astronomes, conduite par une jeune chercheuse de l’IPAG1, a utilisé l’observatoire spatial Herschel de l’ESA2 pour réaliser les premières images d'une ceinture de débris – issus de collisions de comètes ou d'astéroïdes – en orbite autour d'une étoile sous-géante3 connue pour héberger un système planétaire. Grâce aux capacités de détection dans l’infrarouge lointain de Herschel, les astronomes ont pu repérer un excès d'émission indiquant la présence d'un disque de débris de poussières à environ 100 UA7 de Borealis Kappa Coronae (κ CrB). Cette détection fournit un témoignage rare de la dynamique des systèmes planétaires orbitant autour d'étoiles sous-géantes et permet une étude détaillée de l'architecture du système planétaire et circumstellaire de κ CrB. Ce résultat fait l’objet d’une publication aujourd’hui dans les Monthly Notices de la Royal Astronomical Society.


Avec 1,5 masses solaires, l'étoile κ CrB est âgée d'environ 2,5 milliards d'années. Elle héberge une planète géante et un second compagnon dont la masse n'est pas complètement déterminée. La planète, d’à peu près deux fois la masse de Jupiter, orbite à une distance équivalente à la ceinture d'astéroïdes4 dans notre système solaire. Le second compagnon a été détecté par des mesures prises à l'aide des télescopes au sol de l’observatoire Keck5. κ CrB est la première étoile en fin de vie détectée avec à la fois des planètes et un disque de débris. Ce disque a survécu durant toute la vie de l'étoile sans être détruit, ce qui implique qu'il n’a pas souffert d'un événement similaire au grand bombardement tardif6 qui a vidé la plupart des débris de notre propre système solaire environ 600 millions d'années après sa formation. L'équipe d’astronomes a utilisé des modèles pour proposer trois scénarios possibles pour le disque et les planètes, qui correspondraient aux observations.


Observations du système Kappa CrB à 100 μm à l’aide de l’instrument PACS d’Herschel. Le Nord est en haut et l'Est est à gauche. L'étoile est au centre de l'image ; autour d’elle, on détecte un excès d'émission infrarouge, interprété comme un disque de débris de poussières contenant des astéroïdes et/ou des comètes. Crédits ESA/Bonsor et al. (2013)


Dans le premier modèle, une ceinture continue de poussières s'étendrait de 20 à 220 UA7. Pour comparaison, le disque de débris de glace - la ceinture de Kuiper - dans notre Système Solaire s'étend entre 30 et 50 UA8. Dans ce modèle, le compagnon le plus éloigné de l’étoile orbiterait à une distance de plus de 7 UA de celle-ci et pourrait sculpter le bord interne du disque par effet gravitationnel.
Une variante de ce modèle est un disque soumis à l'influence gravitationnelle des deux compagnons, de telle manière que la production de poussières dans le disque serait maximale à environ 70-80 UA de l’étoile.


Dans un autre scénario, le disque de poussières est divisé en deux ceintures étroites, centrées respectivement sur 40 et 165 UA. Dans ce scénario intriguant, le compagnon extérieur pourrait se trouver en orbite entre les deux ceintures, entre 7 et 70 UA de distance environ, ce qui entrouvre la possibilité qu’il soit plus massif qu’une planète voire qu’il s’avère être une naine brune.


Comme il s'agit du premier exemple connu d'un système avec à la fois des planètes et un disque de débris en orbite autour d'une étoile sous-géante, l'analyse d'une population plus large est nécessaire pour déterminer si κ CrB est rare ou non. Reste à observer si d'autres étoiles sous-géantes que les astronomes soupçonnent d’avoir des disques de débris présentent des planètes.

Note(s): 
  1. Institut d’Astrophysique et de Planétologie de Grenoble (IPAG : CNRS/Université Joseph Fourier, Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble)
  2. Les observations ont été effectuées en utilisant l’instrument PACS du satellite Herschel, un spectromètre et une caméra à réseau de photodétecteurs, à 100 et 160μm. Herschel est un observatoire spatial de l'Agence Spatiale Européenne (ESA), avec une grande sensibilité dans l'infrarouge lointain, comprenant des instruments scientifiques élaborés par un consortium européen, avec la participation de la NASA.
  3. Etoile retraitée : Quand des étoiles comme le Soleil finissent de consommer leur carburant -l'hydrogène- dans leur cœur (par fusion), après des millions voire des milliards d'années, cela provoque le gonflement de l’étoile qui devient une « sous-géante » puis plus tard, une géante rouge). Pour les étoiles retraitées accueillant des planètes ainsi que des ceintures de comètes et d'astéroïdes, on s’attend à ce que ces habitants planétaires ne se trouvent pas affectés pendant la phase de sous-géante, mais les observations sont nécessaires pour mesurer leurs propriétés. Une approche consiste à rechercher des disques de poussières autour des étoiles, générées par les collisions entre les populations d'astéroïdes ou de comètes.
  4. La ceinture principale d’astéroïdes du système solaire, composée essentiellement de petits corps rocheux, occupe une orbite située entre Mars et Jupiter, à une distance comprise entre 2 et 3,3 UA du Soleil.
  5. Télescopes Keck : les deux télescopes optiques et proche-infrarouges de l'observatoire W.M. Keck sont situés sur le mont Mauna Kea de l'île d'Hawaï, à une altitude de 4 145 mètres. Ces télescopes de 10 mètres de diamètre peuvent fonctionner de manière couplée grâce à l’interférométrie, ce qui leur confère une résolution angulaire équivalente à celle d'un miroir de 85 m.
  6. Grand bombardement tardif : (Late Heavy Bombardment : LHB en anglais) est une période de l'histoire du Système solaire s'étendant approximativement de 4,1 à 3,9 milliards d'années, durant laquelle se serait produite une notable augmentation des impacts météoriques ou cométaires sur les planètes telluriques.
  7. 1 UA  ou unité astronomique est la distance entre la Terre et le Soleil, soit environ 150 000 000 de kilomètres.
  8. La Ceinture de Kuiper est une région du Système Solaire qui s'étend au-delà de l'orbite de Neptune, de 30 à 50 UA, et qui contient des milliards de corps de glace. Elle a été découverte en 1992 et depuis, environ 1 000 objets ont été catalogués. Certains d'entre eux sont très gros, le plus gros ayant un diamètre dépassant 1 000 km.
Pour en savoir plus: 
Source(s): 

Spatially Resolved Images of Dust Belt(s) Around the Planet-hosting Subgiant κ CrB, par A. Bonsor et al., publié dans Monthly Notices de la Royal Astronomical Society, le 9 avril 2013.
Lire la publication en ligne : http://arxiv.org/pdf/1302.7000v2.pdf

Contact(s):
  • Amy Bonsor, IPAG-OSUG (CNRS/Université Joseph Fourier)
    amy [dot] bonsor [at] gmail [dot] com, +44 12 23 76 60 96 / 04 76 63 58 30

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