Bêta Pictoris, le système qui ouvre l’exploration des exoplanètes

Vue d'artiste de l'étoile Bêta Pic et de sa planète. © HO/université de Grenoble
La deuxième planète de l’étoile Bêta Pictoris, photographiée par le VLT, pose des questions théoriques aux astronomes. Son étude, ainsi que celle de tout le système, promet des avancées dans la manière dont les planètes géantes ont pu se former.

Parmi les étoiles à exoplanètes, Bêta Pictoris occupe une place à part. Cette place n’est pas due à la photographie, publiée en octobre 2020, de la deuxième planète géante en orbite autour d’elle, découverte l’an dernier. Elle remonte à l’époque où les astronomes ne connaissaient encore aucune planète extrasolaire, dans les années 1980, quand les Américains Bradford Smith et Richard Terrile, en masquant artificiellement l’éclat de l’étoile, ont photographié un épais disque de poussière l’encerclant à la manière d’un anneau de Saturne. Depuis 1984, cette étoile proche (63 années-lumière) 1,75 fois plus massive que le Soleil, n’a jamais cessé d’être un formidable terrain d’exploration des exoplanètes et de leur processus de formation. Peut-être le meilleur, surtout depuis la découverte en 2008 de sa première planète, Bêta Pictoris b.

Une photo permise par une détection préalable

La photo de Bêta Pictoris c étend le champ de ces explorations. Elle a été réalisée avec Gravity, l’un des instruments les plus en pointe de l’astronomie moderne. Avec lui, les quatre télescopes de 8,2 m du Very Large Telescope (VLT) observent simultanément en mode interférométrique pour parvenir à la résolution angulaire d’un télescope d’une centaine de mètres de diamètre. En combinant la lumière de ces quatre géants, les astronomes ont eu à la fois la luminosité et la précision nécessaires pour percevoir l’éclat de la planète nichée tout à côté de son étoile, au sein d’un disque de poussières. « L’écart de luminosité entre l’étoile et la planète est de 10,8 magnitudes, précise Sylvestre Lacour, astronome à l’observatoire de Paris et co-auteur de la recherche.

Cette image est aussi une première. La planète avait été découverte auparavant par la méthode des vitesses radiales (qui consiste à mesurer les légères oscillations d’une étoile induites par l’attraction gravitationnelle d’une planète). Et grâce aux données issues de ces mesures, les astronomes ont su quand arrivait la meilleure période pour tenter de photographier la planète. Il fallait en effet que celle-ci soit suffisamment écartée de son étoile pour que les télescopes soient le moins éblouis possible. Il fallait également savoir où regarder car le champ de l’instrument Gravity est très réduit. Finalement, les 9 et 11 février 2020, puis à nouveau le 7 mars, les quatre géants du VLT ont pointé Bêta Pictoris et ont révélé la nouvelle planète. Pareille observation n’avait jamais été réussie auparavant.

De gauche à droite : la photo du disque de poussière de Bêta Pictoris vu par la tranche avec ses deux planètes ; une vue d'artiste du système ; le plan des orbites des deux planètes. © MPI

Mystère : la nouvelle planète brille trop peu

Grâce aux mesures de vitesses radiales, les astronomes connaissaient déjà bien la période de révolution de Bêta Pictoris c (3,37 ans), mais aussi sa masse (8,2 fois celle de Jupiter). En outre, Bêta Pic c gravite plus près de son étoile : 2,7 unités astronomiques (soit 2,7 fois la distance Terre-Soleil) au lieu de 9,9 UA pour Bêta Pic b. L’image du VLT a permis d’obtenir à la fois l’inclinaison exacte de son orbite (à peine 0,5° par rapport à la ligne de visée) et sa luminosité. Et là, les choses se compliquent…

Il apparaît en effet que Bêta Pic c rayonne beaucoup moins que l’autre planète géante connue dans le système, Bêta Pictoris b, pourtant de masse similaire (9 masses joviennes). Toutefois, la lumière captée par le VLT n’est pas celle que les planètes réfléchissent de leur étoile, mais celles qu’elles émettent naturellement en infrarouge en raison de leur chaleur interne. « La planète b est chaude parce qu’elle est jeune ; 20 millions d’années, explique Sylvestre Lacour. Cela a été mesuré à partir de son spectre et corrélé avec les modèles de chimie des exoplanètes. Sa température est autour de 1700 K, ce qui est encore très chaud. La planète c est plus froide, environ 1200 K. D’où l’écart constaté : Bêta Pictoris b est 6 fois plus brillante que Bêta Pic c. »

Une énigme sur le processus de formation

Cette observation pose un problème aux théoriciens : comment deux planètes de masse similaire, a priori formées en même temps dans un même système en suivant le même processus, se retrouvent-elles avec des luminosités aussi différentes ? La réponse se trouve peut-être, justement, dans leur mécanisme de formation. Jusqu’ici, les astronomes en ont deux à leur disposition : l’accrétion ou l’instabilité gravitationnelle. Le premier est conforme à ce que l’on imagine avoir eu lieu dans le Système solaire : les planètes se constituent à partir de blocs solides qui s’agrègent dans un disque de poussière et de gaz. Quelques-uns de ces blocs grossissent plus que les autres, deviennent des noyaux et attirent toute la matière résiduelle pour former des planètes massives, telles que Jupiter ou Saturne.

Le second scénario est sensiblement différent, comme l’explique Anne-Marie Lagrange, astronome au LESIA (observatoire de Paris) et qui a photographié les deux planètes de Bêta Pictoris : « Dans le cas de l’instabilité, on a une énorme concentration de masse dans un disque protoplanétaire qui produit un effondrement gravitationnel. La planète se constitue sans l’étape de formation des noyaux. » Quelle importance ? « Si la formation se fait par accrétion, explique Sylvestre Lacour, les jeunes planètes sont moins chaudes car elles dissipent facilement leur énergie. Dans le cas d’un nuage qui se compacte, les planètes vont mettre plus de temps à dissiper leur énergie, les planètes seront chaudes plus longtemps. »

Scénario de réconciliation

Les observations semblent donc indiquer que la planète b pourrait correspondre à un corps formé par effondrement d’un nuage, alors que la planète c aurait suivi un processus plus classique par accrétion. Or, cela paraît improbable pour deux planètes tournant rigoureusement dans le même plan orbital, autour de la même étoile et étant séparées par seulement un peu plus de 7 UA. D’autant qu’une autre observation spectrale de Bêta Pictoris b suggère qu’elle est riche en oxygène, ainsi qu’on doit l’attendre pour une planète géante formée par accrétion. Ce qui entre en contradiction avec sa température élevée…

Anne-Marie Lagrange rappelle que « la masse de Bêta Pic b a été déterminée par les mesures de vitesses radiales. Et toute sa période de révolution n’a pas été couverte, ce qui rend l’estimation très imprécise. » Il se pourrait donc que sa masse ait été sous-estimée. Matthias Nowak (université de Cambridge, Grande- Bretagne), l’un des auteurs de la dernière publication sur la planète, explique qu'il existe maintenant un scénario de formation appelé « warm-acretion » à mi-chemin entre l’accrétion et l’instabilité gravitationnelle. Celui-ci permettrait aux jeunes planètes de conserver leur chaleur initiale assez longtemps pour réconcilier les observations de ces planètes avec les modèles théoriques.

Selon Matthias Nowak, « dans le “warm” scénario, la physique est plus précise que dans les anciens scénarios d'accrétion. Par exemple, les chocs d'accrétion ne dissipent pas forcément l'essentiel de l'énergie, ce qui fait des planètes avec une température initiale plus élevée. » Ainsi, d’après lui, il suffirait que la planète b ait une masse de 12 fois celle de Jupiter (au lieu de 9) pour que les observations soient cohérentes avec les théories… Matthias Nowak fait enfin remarquer que « les modèles d’effondrement gravitationnel utilisés ont vingt ans et ont peu évolué. Ils donnent des planètes plus froides, et ces nouvelles observations vont inciter à les améliorer. » La différence de température entre les planètes b et c pourrait ainsi être gommée par une masse supérieure de b.

Étudier l’environnement des deux planètes

Les observations à venir, notamment d’ici à quelques années avec Gravity+ (une amélioration de l’instrument actuel), devraient permettre des mesures spectrales plus précises et d’y voir plus clair sur le processus de formation de ces planètes. En attendant, les astronomes vont tenter d’en apprendre un peu plus sur leur environnement. Hélas, la très légère inclinaison de leur plan orbital (0,5°) fait qu’aucune d’elles ne passe régulièrement devant l’étoile pour provoquer des mini-éclipses. Mais leur environnement gravitationnel proche transite devant l’étoile. C’est ce que les astronomes appellent la sphère de Hill. Dans cette sphère de plusieurs dizaines de millions de kilomètres de rayon, ce sont les planètes qui gouvernent. Cela signifie qu’elles attirent tout ce qui y passe et qu’elles satellisent tout ce qu’elles n’attirent pas. Ainsi, Sylvestre Lacour ne désespère pas de déceler des anneaux géants qui viendraient obscurcir légèrement l’éclat de Bêta Pictoris au cours de transits.

Ce schéma représente la sphère de Hill (gris clair) d'une planète géante (au centre, en orange) entourée de vastes anneaux (gris foncé). En passant devant l'étoile (le trait orange figure son déplacement apparent), les anneaux pourraient l'éclipser pendant quelques jours. DR.

L’une de ces conjonctions a eu lieu entre février et juin 2018 sans qu’aucun des quatre télescopes qui observent régulièrement Bêta Pictoris ne captent le moindre changement d’éclat. Mais il y a des trous dans la raquette : les deux télescopes spatiaux, qui sont aussi les plus précis, Hubble et BRITE, ont peu ou pas observé durant la période. Quant aux deux télescopes au sol, BRING et A-STEP, ils ont observé partiellement, mais sont entachés d’incertitudes dans les mesures dues à l’atmosphère terrestre.

Une nouvelle conjonction se présente entre avril et août 2021. « L’incertitude dépend des modèles, de tous les paramètres que sont la distance de la planète, la masse de l’étoile, etc. qui ne sont pas encore assez précis aujourd’hui », indique Anne-Marie Lagrange. Si des anneaux devaient occulter l’étoile, la durée de l’événement oscillerait de quelques jours à quelques semaines, selon Sylvestre Lacour. Avec une autre possibilité : celle de voir transiter un gros satellite tellurique à la planète Bêta Pictoris c.

Objectif : découvrir des planètes telluriques

Le champ d’exploration déjà important dans le système de Bêta Pictoris pourrait s’élargir encore si le projet PicSat 2 voyait le jour. En effet, à l’aide de ce petit satellite construit sur le modèle de son infortuné prédécesseur, Picsat, qui avait refusé de fonctionner en mars 2018, Sylvestre Lacour espère sonder l’environnement proche de l’étoile à la recherche de nouvelles planètes. « L’objectif, ce sont les planètes telluriques de plus de 2 rayons terrestres qui se trouveraient à moins de 0,5 UA de Bêta Pictoris », précise-t-il. Des planètes se trouvant plus loin ne transiteraient pas à cause de la très légère inclinaison du système. Pour l’instant, ce projet d’un coût de 100000 € n’a pas trouvé de soutien auprès des agences spatiales, en partie parce que les résultats scientifiques sont jugés trop aléatoires. Le mini-satellite permettrait toutefois de parfaire la connaissance des comètes dont l’existence a été attestée autour de Bêta Pictoris.

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