2024-05-31 09:02:47
Nasa/Esa/CSA/Mark McCaughrean/Sam Pearson
(Crédit : Nasa/Esa/CSA/Mark McCaughrean/Sam Pearson)
Nous pensions comprendre globalement comment se forment les planètes et les étoiles. Mais la découverte de dizaines de paires de jeunes planètes dans une nébuleuse proche menace de bouleverser la situation.
Ce sont des mondes qui défient tout simplement toute explication. Dérivant à travers la nébuleuse d’Orion – un énorme nuage de poussière et de gaz relativement proche dans notre galaxie – se trouvent ce qui semble être des dizaines de planètes de la taille de Jupiter qui ne sont pas conformes à la compréhension conventionnelle de la formation des systèmes planétaires. Plutôt que d’être liées à une étoile comme la Terre dans notre propre système solaire, ces planètes flottent librement dans l’espace par paires. Les astronomes qui les ont repérés avec l’aide du télescope spatial James Webb (JWST) n’ont pu que se gratter la tête avec émerveillement face à cette découverte.
«Ces choses ne devraient pas exister», déclare Simon Portegies Zwart, astrophysicien à l’université de Leiden aux Pays-Bas. «Ils vont à l’encontre de tout ce que nous avons appris sur la formation des étoiles et des planètes.»
Au cours des mois qui ont suivi, des efforts ont été déployés pour tenter d’expliquer ce qui se passait. Ces planètes, appelées Jupiter Mass Binary Objects, ou Jumbos, ne peuvent toujours pas être entièrement expliquées. Mais nous nous rapprochons d’une réponse – avec des observations cruciales à l’horizon qui pourraient résoudre le mystère une fois pour toutes.
Les géants ont été découverts par Mark McCaughrean, un ancien astronome de l’ESA aux Pays-Bas qui travaille maintenant à l’Institut Max Planck d’astronomie en Allemagne, et Samuel Pearson, astronome à l’ESA aux Pays-Bas. Ils utilisaient les données du JWST pour étudier la nébuleuse d’Orion, située à environ 1 500 années-lumière de la Terre. Ils étaient particulièrement intéressés par une région de formation de jeunes étoiles de 10 années-lumière appelée l’amas de trapèze, vieille d’à peine un million d’années.
JWST – qui contient le plus grand miroir jamais lancé dans l’espace – possède d’immenses capacités infrarouges, lui permettant de scruter les nuages et la poussière de l’amas comme aucun télescope auparavant. Ces observations ont révélé une myriade de jeunes étoiles intéressantes et de régions de formation d’étoiles, où d’immenses masses tourbillonnantes de gaz se condensaient sous l’effet de la gravité pour former des étoiles. Mais ils ont également découvert quelque chose de tout à fait surprenant : au milieu de la poussière cosmique flottaient des planètes de la taille de Jupiter qui semblaient dériver par paires. «Cette découverte était complètement inattendue», explique McCaughrean.
La taille des objets variait entre environ la moitié de la masse de Jupiter – la plus grande planète de notre système solaire – et 13 fois la masse de Jupiter, ce qui suggère qu’il s’agissait probablement toutes de planètes géantes gazeuses. Jupiter, qui fait environ 11 fois la taille de la Terre, est l’une des quatre géantes gazeuses en orbite autour de notre Soleil. De tels mondes géants n’ont pas de surfaces solides, mais sont plutôt composés de gaz, souvent autour d’un noyau solide.
Chaque paire Jumbo était séparée par des distances aussi petites que 2,8 milliards de miles (4,5 milliards de kilomètres) – la même distance qui sépare Neptune et notre Soleil – ou jusqu’à près de 400 fois cette distance. Chaque paire apparaît comme des points de lumière jumeaux dans la nébuleuse d’Orion et semble tourner en orbite l’un autour de l’autre.
Jessie Christiansen, astronome au Nasa Exoplanet Science Institute du California Institute of Technology, affirme que cette découverte a mis son équipe de chasseurs d’exoplanètes – des planètes trouvées en dehors de notre système solaire – en mode « crise ». «Au début, j’étais très inquiète pour eux», dit-elle. «L’une de nos définitions d’une exoplanète est ‘une planète qui orbite autour d’une autre étoile’. Dès que ces planètes sont apparues, je me suis dit : ‘Oh mon Dieu, des objets binaires flottants de masse Jupiter. Que vais-je faire ? ?'»
Nasa/Esa/CSA/Mark McCaughrean/Sam Pearson
Les mystérieuses planètes de la taille de Jupiter ont été découvertes dérivant par paires dans la nébuleuse d’Orion (Crédit : Nasa/Esa/CSA/Mark McCaughrean/Sam Pearson)
Des planètes flottantes elles-mêmes ont déjà été découvertes. Nous avons vu des planètes dériver seules dans de nombreuses régions de l’espace, probablement parce qu’elles ont été expulsées de leur système solaire d’origine par le coup de pouce gravitationnel d’une étoile qui passait. Même notre propre système solaire a peut-être perdu un monde géant de cette manière au début de son histoire. Des objets flottants plus grands ont également été découverts, brouillant la frontière entre planète et étoile. Connues sous le nom de naines brunes, elles ont une masse 15 à 75 fois supérieure à celle de Jupiter, trop petites pour commencer la fusion de l’hydrogène dans leur noyau comme cela se produit dans les étoiles, ce qui les rend plus sombres et plus froides.
Les planètes géantes représenteraient une classe nouvellement découverte en dessous des naines brunes. McCaughrean et Pearson ont détecté la lueur infrarouge chaude d’environ 100 de ces objets, non par paires, jusqu’à la masse de Jupiter dans l’amas du trapèze. «Personne n’a vu ça auparavant», déclare McCaughrean. Mais c’est la découverte de 42 paires de ces objets, et d’un triple, qui a vraiment fait s’emballer les esprits. «Ce n’était pas du tout quelque chose que nous recherchions», déclare Pearson.
De nombreuses étoiles existent sous forme de paires, ou binaires, résultant de leur formation à proximité dans des nébuleuses relativement étroites et denses de poussière et de gaz comme Orion. Les géants sont un problème différent. S’il s’agissait de planètes qui tournaient autrefois autour d’étoiles mais qui ont été éjectées, il serait difficile d’expliquer comment elles se retrouveraient par paires. Il est peu probable que deux planètes éjectées se croisant soient liées gravitationnellement lorsqu’elles volent dans l’espace. Mais leurs masses semblent trop faibles pour qu’elles se soient formées directement à partir de l’effondrement d’un nuage de gaz, comme une étoile. «Ces objets sont bien loin du fond [of] là où nous pensons que cela fonctionne», dit Christiansen, «ce qui explique en partie pourquoi les théoriciens ont du mal.»
Rosalba Perna, astrophysicienne théoricienne à l’Université Stony Brook de New York, et ses collègues ont une solution possible. Ils disent que les Jumbos pourraient être éjectés des étoiles par paires si les deux objets étaient en orbite autour d’une étoile dans la bonne configuration, tous deux du même côté, juste au moment où une autre étoile passait. Cela aurait pu les voir jetés ensemble dans une binaire « douce » qui finirait par les voir se séparer environ un million d’années plus tard.
Même si seulement deux ou trois d’entre elles sont réelles, cela signifie qu’il manque quelque chose dans notre compréhension complète de la façon dont les planètes et les étoiles sont créées – Samuel Pearson
«Cela nécessite que les orbites des deux planètes soient relativement étroitement alignées», explique Perna. Mais dans de tels cas, les paires de Jumbos seraient « une conséquence inévitable » des interactions entre étoiles. Une autre idée d’éjection est que les paires formaient déjà une paire planète-planète ou planète-lune en orbite autour d’une jeune étoile avant d’être éjectées.
Portegies Zwart privilégie une explication différente, selon laquelle les Jumbos se forment à la manière des étoiles, directement à partir de l’effondrement d’un nuage de gaz. Connu sous le nom de formation in situ, cela nous obligerait à repenser la faible densité d’un nuage de gaz afin de déclencher un tel effondrement. Mais pour Portegies Zwart, «je pense que la formation in situ est la seule dans laquelle je n’ai pas de problèmes théoriques», dit-il. «C’est le plus prometteur.»
Les rayons cosmiques pourraient offrir une solution, en ralentissant le mouvement du gaz et en permettant à de plus petites poches de former des objets comme des Jumbos. «Les rayons cosmiques pourraient agir comme un fluide très visqueux et transporter un moment cinétique», explique Jonathan Katz, astronome à l’université de Washington à St Louis aux États-Unis, qui a eu l’idée. «Il pourrait avoir une faible masse et former des planètes.» Katz rejette l’idée selon laquelle les Jumbos seraient des paires de planètes éjectées. «C’est comme frapper un œuf avec un pied qui bouge à une vitesse d’un kilomètre par seconde (2 240 mph)», dit-il. «Vous allez éclabousser du blanc et du jaune d’œuf partout. Vous n’aurez pas une coquille intacte. Vous pouvez en donner un coup de pied. [planet]mais vous ne pouvez pas les frapper tous les deux ensemble. »
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Le télescope spatial James Webb a capturé ces « doigts » rouges, résultat d’un événement explosif survenu il y a 500 à 1 000 ans (Crédit : Nasa/Esa/CSA/Mark McCaughrean/Sam Pearson)
Certains ne sont pas sûrs que les Jumbos existent. Peter Plavchan, astronome à l’université George Mason aux États-Unis, pense qu’il pourrait s’agir d’étoiles se faisant passer pour des planètes. Il dit que la nature poussiéreuse de la nébuleuse d’Orion pourrait masquer la lumière des étoiles, les faisant apparaître plus rouges, leur donnant une signature semblable à celle d’une planète. «L’explication la plus plausible est qu’il ne s’agit que de deux étoiles de masse plus élevée qui semblent avoir les couleurs d’objets de masse planétaire», dit-il.
McCaughrean dit que cela pourrait être le cas pour certains Jumbos, mais pas pour tous. «Nous avons pris soin dans notre analyse d’exclure les étoiles de fond rougies de faible masse comme contaminants potentiels», dit-il. «Les chances statistiques que tous les Jumbos soient des sources de fond [is low]».
Pearson dit que «même si seulement deux ou trois d’entre eux sont réels, cela signifie qu’il manque quelque chose dans notre compréhension globale de la façon dont les planètes et les étoiles sont créées».
Pour le savoir avec certitude, nous avons besoin d’observations supplémentaires des objets. McCaughrean et Pearson sont sur le coup – ils les ont étudiés plus en profondeur avec JWST cette année, en utilisant le télescope pour séparer la lumière des objets. Ils n’ont pas encore publié leurs dernières découvertes, mais lorsqu’ils le feront, ils rechercheront des signes de certains éléments dans l’atmosphère des Jumbos qui pourraient faire allusion à leur origine.
S’ils se sont formés autour des étoiles, ils devraient contenir des éléments plus lourds qui auraient été présents dans le disque de poussière formant planète autour des étoiles. «Toutes les matières denses tombent vers le milieu, là où elles se forment», explique Pearson. De futures observations pourraient même rechercher des nuages de silicates ressemblant à du sable dans l’atmosphère des objets, ce qui conforterait cette explication, bien qu’Orion ne soit à nouveau visible par JWST qu’en octobre 2024 car il est trop proche du Soleil pour que le télescope puisse l’observer d’ici là. .
Il y a peut-être des géants près du système solaire, mais nous ne les avons jamais repérés car nous ne les avons pas pointés du doigt – Simon Portegies Zwart
Une autre option pourrait consister à étudier les Jumbos avec des radiotélescopes et à suivre leur vitesse de déplacement dans le ciel. Si les paires s’éloignent à la même vitesse d’une étoile commune, cela pourrait conforter l’idée qu’il s’agit de planètes éjectées. Dans le cas contraire, cela pourrait laisser entendre que le modèle in situ est correct.
Rodriguez espère avoir plus de données radio sur les Jumbos provenant d’un réseau américain de radiotélescopes appelé Very Long Baseline Array dans les mois à venir, et d’un autre réseau américain appelé Very Long Array d’ici la fin de l’année. «Nous saurons alors s’ils se déplacent rapidement ou s’ils se brisent, ce qui favorisera un mécanisme d’éjection», précise-t-il.
Un prochain télescope de la NASA appelé Nancy Grace Roman Space Telescope, dont le lancement est prévu en 2027, pourrait également étudier les Jumbos. Il effectuera une étude de l’Univers pour rechercher des exoplanètes, mais pourrait également être utilisé pour rechercher des objets à l’intérieur de la nébuleuse d’Orion, trouvant peut-être plus de Jumbos que même JWST ne peut en détecter. «Vous pourriez repérer des objets très faibles ayant environ la masse de Saturne», explique Melinda Soares-Furtado, astrophysicienne à l’Université du Wisconsin à Madison aux États-Unis.
L’étude d’autres jeunes nébuleuses pour les Jumbos pourrait également être utile, confirmant si ces paires d’objets particulières sont répandues dans d’autres régions de formation d’étoiles. «N’importe quel jeune cluster serait intéressant», déclare Portegies Zwart. Il pourrait même y avoir des Jumbos dérivant librement dans l’espace en attendant d’être découverts, et peut-être assez près de chez eux. «Il y a peut-être des géants à proximité du système solaire, mais nous ne les avons jamais repérés car nous ne les avons pas pointés du doigt», dit-il.
Indépendamment de leur nature, les Jumbos pourraient nous aider à «vraiment comprendre ces pépinières stellaires et ce qu’elles ont à nous apprendre», déclare Soares-Furtado. Pour l’instant, le mystère continue.
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