Un disque spectaculaire autour d'un trio d'étoiles éclaire l'origine des exoplanètes inclinées

Vue d'artiste du disque déformé de GW Orionis. Crédit : ESO/L. Calçada
Le disque de matière découvert en septembre 2020 autour du système stellaire triple GW Orionis, dans la constellation d’Orion, intrigue les astronomes. Déformé en trois anneaux d’inclinaisons variées — du jamais vu —, il pourrait expliquer l’origine des étranges exoplanètes « non alignées » aux orbites très penchées.

Il faut une vue d’artiste pour en saisir toute la majesté. Mais lorsque Stefan Kraus et ses collègues ont pris connaissance du résultat de leurs observations, réalisées avec Alma et le VLT, ils ont très vite compris qu’ils tenaient un objet fascinant. Autour du trio d’étoiles baptisé GW Orionis, situé à 1300 années-lumière dans la constellation d’Orion, l’équipe a mis au jour un disque de matière tel qu’on n’en avait jamais vu. Déchiré en trois anneaux inclinés de 155°, 143° et 142° à respectivement 47, 182 et 242 unités astronomiques du triplet stellaire, il pourrait montrer en direct la formation d’un système planétaire absolument exotique : plusieurs exoplanètes tournant sur des orbites diversement inclinées autour de trois étoiles liées par la gravitation.

Vue d'artiste (à gauche) du disque déformé de GW Orionis dessinée à partir des observations du VLT (à droite).
Crédit : ESO/L. Calçada, Exeter/Kraus et al.

 

« Nous n’avons pas encore détecté de planètes dans ce système, mais nous avons un programme en cours pour en chercher une, entre les deux anneaux extérieurs », explique Stefan Kraus depuis l’université d’Exeter. L’anneau intérieur contient environ 30 masses terrestres en poussières, ce qui pourrait suffire pour former une planète. Les deux autres, d’environ 150 et 170 fois la masse de la Terre, pourraient aussi en produire. Toutes, très éloignées de leurs étoiles, seront probablement « des planètes glacées ».

Il reste encore à les découvrir, mais pour l’astrophysicien Guillaume Hébrard en tout cas l’observation est « très intéressante. » Comme le souligne le chercheur de l’IAP, la découverte de Kraus « ajoute une pierre à l’édifice ». Après les planètes non alignées, on observerait les disques inclinés où elles se forment.

Le casse-tête des exoplanètes non alignées

Les planètes non alignées ? Leur découverte est l’une des nombreuses surprises de la chasse aux exoplanètes. Contrairement à ce que l’on observe dans le Système solaire où, de Mercure à Neptune, toutes les planètes tournent peu ou prou dans le plan de rotation du Soleil, il existe dans la Galaxie de nombreux mondes à l’orbite inclinée. « L’inclinaison du plan de révolution a été mesurée sur une bonne centaine de planètes. Et environ une moitié d’entre elles tournent dans un plan très nettement penché par rapport à l’étoile », explique Guillaume Hébrard, découvreur de la première planète inclinée en 2008. Certaines présentent une orbite polaire : leur axe de révolution est incliné à 90° avec l’axe de rotation de l’étoile. « Et certaines sont si inclinées que leur axe de révolution est basculé de 180° : elles tournent à l’envers ! » précise l’astrophysicien.

Sachant qu’une planète se forme dans un disque en rotation, lui-même résidu de la création d’une étoile, l’existence d’orbites inclinées est bien sûr un défi posé aux théoriciens. « Plusieurs explications ont été proposées, mais pour le moment aucune ne se détache vraiment », reprend Guillaume Hébrard. Pour certains, l’orbite d’une planète s’incline lorsqu’elle est perturbée par l’attraction gravitationnelle d’un corps massif autre que son étoile. Par exemple une planète géante extérieure, ou une étoile proche. Pour d’autres, il faut chercher l’origine de l’inclinaison plus en amont, avant même la formation de la planète : si celle-ci tourne sur une orbite penchée, c’est parce que le disque où elle s’est formée était lui-même penché. Sans doute là aussi à cause d’un objet perturbateur.

 

Vue d'artiste du disque de GW Orionis et du système de trois étoiles à l'origine de sa forme étrange. Crédit : ESO/Exeter/Kraus et al./L. Calçada

 

GW Orionis appuie cette deuxième hypothèse, mais la prudence reste de mise. Car il existe tout de même des différences entre ce système très exotique et les planètes inclinées recensées à ce jour… D’abord — dans l’hypothèse où GW Orionis possède des planètes —, elles sont à période très longue. Or, la plupart des exoplanètes dont on connaît l’inclinaison tournent rapidement autour de leur étoile. « Mais c’est d’abord parce que l’on connaît peu d’exoplanètes à longue période, plus difficiles à détecter », tempère Guillaume Hébrard. Ensuite, si planètes il y a, elles ne tournent pas autour d’une, mais de trois étoiles ! « Or, les planètes inclinées que nous connaissons tournent toutes autour d’une seule étoile », poursuit l’astrophysicien.

Un jeune monde « circumtertiaire » ?

Quelques mesures d’inclinaison ont pu être faites sur des planètes en orbite autour d’une étoile double (montrant toujours un alignement entre le plan de révolution des étoiles et celui de la planète), mais jamais pour un système triple. Si l'on connaît en effet des planètes dans des systèmes à trois étoiles, et même à quatre étoiles, elles tournent autour d'un seul astre, pas de l'ensemble des étoiles. « Si une planète s’est formée autour de GW Orionis, c’est une planète circumtertiaire. C’est une pensée amusante, car je ne pense pas avoir entendu quiconque en parler auparavant », note Amaury Triaud. L’astrophysicien de l’université de Birmingham, qui en 2014 a postulé l’existence de planètes inclinées circumbinaires avec son étudiant David Martin, cherche à déterminer quelle fraction d’exoplanètes est dans cette situation. Aucune pour le moment, donc, « mais il y a déjà deux disques circumbinaires connus inclinés par rapport au plan orbital de l’étoile double », précise le chercheur. Leur orbite est d’ailleurs polaire.

 

Simulation numérique de la déformation d'un disque sous l'influence gravitationnelle d'un système stellaire triple. Crédit : Exeter/Kraus et al.

 

Au final, Amaury Triaud est, comme Guillaume Hébrard, enthousiasmé par l’observation de GW Orionis : « Plusieurs modèles indiquaient que des parties de disque inclinées pouvaient se former [sous l'influence gravitationnelle des étoiles centrales, NDLR], et c’est fascinant de le voir en action. » Reste à y dénicher des planètes… si elles sont déjà nées ! Car GW Orionis est un très jeune système triple : ses étoiles ont environ un million d’années. La gestation planétaire a peut-être commencé, mais elle pourrait durer encore quelques milliers de siècles…

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