Des vestiges de planètes découverts à la surface d’étoiles mortes

Débris planétaires accrétés par une naine blanche (dessin). © University of Warwick/M.Garlick
Quatre naines blanches présentent des caractéristiques surprenantes : des éléments chimiques qui proviennent de la surface d’anciennes planètes telluriques. Une découverte qui pourrait permettre de sonder indirectement la composition des exoplanètes.

La découverte est pour le moins étonnante : l’équipe menée par Mark Hollands (université de Warwick, G.-B.) a identifié les restes de planètes à la surface de quatre naines blanches. Les naines blanches, ce sont des noyaux d’étoiles mortes. C’est tout ce qu’il subsiste d’astres de masse modeste comme notre Soleil, après qu’ils ont expulsé leur enveloppe au terme de milliards d’années d’évolution. Autrement dit, ce sont des noyaux d’étoiles mortes.

Or, voilà que ces quatre fossiles stellaires contiennent des éléments chimiques caractéristiques non pas d’étoiles, mais de planètes rocheuses. Plus précisément, les traces identifiées proviennent de la croûte de ces mondes détruits. Cela indique une chose : ces planètes qui gravitaient jadis autour de leur étoile ont fini par chuter à la surface de celle-ci, attirées par la gravitation. Un destin qui pourrait être un jour celui de Mercure, Vénus ou même la Terre.

Des bouts de surface planétaire

La découverte de Mark Hollands ouvre la voie à l’étude de la composition des mondes telluriques en orbite autour d’autres étoiles. Elle a été réalisée grâce au satellite européen Gaia. « Avant lui, les naines blanches étaient beaucoup plus difficiles à identifier, surtout les plus froides et les plus anciennes, raconte Mark Hollands. Les données de Gaia permettent de mesurer précisément la distance des étoiles. Il devient alors facile de distinguer les étoiles faibles et proches, dont font partie les naines blanches les plus froides, des étoiles plus brillantes, mais plus lointaines. »

Froides ? La température inférieure à 5000°C des quatre naines découvertes a été primordiale pour la détection de croûtes planétaires : certains de leurs éléments caractéristiques comme le lithium deviennent indétectables à des températures plus élevées. « Notre équipe était en train de construire un catalogue spectroscopique de toutes les naines blanches à moins de 130 années-lumière du Soleil, lorsque nous avons découvert que quelques-unes d’entre elles présentaient des caractéristiques spectrales du lithium et dans un cas du potassium », poursuit l’astronome.

Elle y a détecté également des traces de sodium et de calcium. L’abondance de sodium par rapport aux autres éléments a alors été comparée à celle relevée dans le Soleil, le manteau et la croûte terrestre, ou encore dans les météorites appelées chondrites carbonées. Or, les abondances mesurées sur les naines blanches étaient plutôt en accord avec celle de la croûte terrestre, confirmant pour la première fois de manière sûre la découverte de traces de croûtes planétaires. « Ces observations montrent qu’une croûte se forme dans les planètes extrasolaires. À l’avenir, à mesure que nous trouverons d’autres éléments, elles permettront de sonder la géologie précise des systèmes exoplanétaires », espère Amy Bonsor, de l’université de Cambridge.

Mais pourquoi une telle découverte n’a-t-elle pas été faite avant ? « Tout d’abord, la croûte n’est qu’une petite partie de la masse d’une planète (moins de 1% pour la Terre), explique Mark Hollands. Ensuite, le lithium et le potassium ne sont détectables que dans des naines très froides et très vieilles difficiles à trouver. Enfin, la quantité de ces éléments est extrêmement faible. Ainsi, le potassium que nous avons détecté représente un atome parmi 10 milliards et le lithium 1 parmi mille milliards ! En termes de masse, cela représente environ cent mille milliards de tonnes de croûte (0,001% de la croûte terrestre) répartis sur la surface d’une naine, dont 1% de potassium et 0,01% de lithium. »

Pollution planétaire

Ce n’est pas la première fois que la pollution d’une naine blanche trahit de la présence d’anciennes planètes. Mais habituellement, on a plutôt retrouvé des bouts de noyau, témoignant des processus de différenciation qui interviennent dans les gros corps comme les planètes (c.-à-d. leur structuration en couches de densité différente). La première découverte de ce genre date même de plus d’un siècle. C’est en 1917 que Van Maanen, alors au mont Wilson, découvre des traces de calcium en observant la naine vMa2. Mais ce n’est que récemment que l’on a réalisé qu’il s’agissait de la première observation prouvant l’existence d’exoplanètes. En 1941, ce fut au tour du magnésium d’être observé par Kuiper puis le fer en 1956 par Greenstein qui récidiva avec le sodium en 1976.

Le satellite International Ultraviolet Explorer. © ESA
Lancé en 1978, le satellite IUV a étudié le ciel en ultraviolet pendant 18 ans. © ESA

Observant dans l’ultraviolet, le satellite International Ultraviolet Explorer (IUV) a permis de découvrir des naines blanches polluées par des éléments chimiques comme le silicium. Puis les découvertes d’éléments caractéristiques de l’absorption de morceaux d’anciennes planètes par des naines blanches se sont accélérées jusqu’aux observations de l’équipe de Mark Hollands. Cette fois, il s’agirait de fragments de surface issus de planètes telluriques, comme la Terre.

Exoplanètes naufragées

Quel scénario permet d’expliquer ces traces ? Revenons au temps où ces naines étaient encore des étoiles similaires à notre Soleil. Vient le moment où l’astre a fini de brûler l’hydrogène de son noyau. Ses couches externes se dilatent énormément et l’étoile gonfle en géante rouge. « Les planètes les plus proches (comme Mercure et Vénus dans le cas du Système solaire) peuvent alors être absorbées », raconte Amy Bonsor. C’est la raison pour laquelle on a déjà observé des géantes rouges avec une concentration anormale de lithium, élément d’habitude détruit dans les étoiles : ce lithium venait d’une ou de plusieurs planètes.

Évolution d'une étoile de type solaire en naine blanche. DR
Évolution d'une étoile de type solaire en naine blanche. DR

Mais la disparition de quelques planètes et la perte de masse de l’étoile après sa transformation bouleversent la gravité autour d’elle. Les orbites des planètes survivantes deviennent plus chaotiques. Ceci augmente leur risque de collision pouvant les briser. Les planètes géantes, comme notre Jupiter, peuvent alors par leur gravité, disperser ces morceaux dans toutes les directions. Certains de ces fragments se retrouvent ainsi catapultés vers la naine blanche qui a succédé à la géante rouge.

« Une naine blanche a un spectre lumineux très net. De sorte que, si une seule comète entre dans son atmosphère, nous décelons sa signature par spectroscopie. Nous ne pouvons pas faire cela pour des étoiles comme le Soleil, qui ont des spectres désordonnés », explique Amy Bonsor. C’est ainsi que les quatre naines blanches étudiées par l’équipe de Mark Hollands se seraient retrouvées avec des traces détectables de croûtes planétaires.

« Au cours de la prochaine décennie, plusieurs télescopes seront mis en ligne, capables de réaliser la spectroscopie de milliers d’étoiles et de galaxies simultanément, plusieurs fois par nuit et sur différentes zones du ciel, annonce Mark Hollands. Nous aurons alors bientôt le spectre de centaines de milliers de naines blanches et nous pourrons détecter de nombreux autres exemples de naines avec du lithium et du potassium. Ceci nous permettra d’en apprendre beaucoup plus sur la surface des exoplanètes.» De quoi prouver l’abondance de planètes rocheuses et peut-être exotiques comme d’hypothétiques planètes de diamant.

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