L’exoplanète Dagon s’évanouit… car elle n’a jamais existé

Vue d’artiste d’une planète en formation. DR
L’une des premières exoplanètes à avoir été photographiée, autour de l’étoile Fomalhaut, n’était qu’un leurre. Des observations menées avec le télescope spatial Hubble en apportent la certitude. Retour sur une histoire à rebondissements.

C’était l’une des rares exoplanètes dont les astronomes pouvaient se targuer d’avoir une photo. Elle avait été saisie en bordure d’un disque protoplanétaire entourant l’étoile Fomalhaut, ce qui rendait son existence encore plus crédible que n’importe quelle autre. La planète Fomalhaut b était même si crédible qu’elle avait reçu un nom officiel de l’Union astronomique internationale (UAI) : Dagon. Pourtant, elle n’existe pas.

L’objet brillant photographié par le télescope Hubble, et dont les astronomes avaient patiemment suivi l’orbite depuis, a tout simplement disparu sous leurs yeux. Quatre clichés du même télescope spatial pris entre 2008 et 2014 montrent l’étalement et l’affaiblissement de la source lumineuse qui, clairement, n’est pas une planète. Andras Gaspar et George Rieke, de l’université d’Arizona, qui ont publié ce résultat, mettent ainsi un terme à un long débat concernant cet objet.

Les images de l’environnement de l’étoile Fomalhaut (au centre, masquée) prises année après année montrent la dispersion de la supposée planète. © Nasa/ESA/A.Gáspár and G.Rieke (University of Arizona)

Une exoplanète d’abord idéale

La présence d’une planète autour de Fomalhaut cadrait pourtant bien avec tout ce que les astronomes savaient de cette étoile. Dès les années 1980, celle-ci faisait partie, avec Bêta Pictoris et Véga, d’un petit groupe d’astres jeunes (quelques millions d’années) diffusant un fort excès de lumière infrarouge. Les observations ultérieures ont révélé pourquoi : ce sont des étoiles jeunes qui sont encore entourées de disques de poussière dont l’une des caractéristiques est d’émettre une grande partie de la lumière reçue dans l’infrarouge.

Ces disques sont considérés comme les vestiges de matériaux ayant servi à constituer des planètes. Pour cette raison, en 2008, quand l’Américain Paul Kalas annonce avoir trouvé, en bordure intérieure du disque de poussière, un objet qui pourrait être une planète, cela semble plutôt normal. Après tout, quasi simultanément, la Française Anne-Marie Lagrange a réussi l’image d’une planète autour de Bêta Pictoris

Une planète bien étrange dès sa découverte

Mais les choses ne sont pas aussi simples, comme le rappelle Franck Selsis, spécialiste des exoplanètes au Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux : « Dès le début, on savait que cette tache lumineuse ne pouvait pas être due à la lumière réfléchie d’une planète. C’était beaucoup trop lumineux et il fallait invoquer un anneau ou un nuage de poussière diffusant la lumière et n’apparaissant pas en émission thermique. »

Anthony Boccaletti, astronome du LESIA, à l’observatoire de Paris-Meudon, détaille ce contexte intrigant lors de la découverte : « Fomalhaut b est un objet qui a toujours été un peu particulier parmi les exoplanètes détectées par imagerie. Elle a été identifiée sur des données de Hubble datant de 2004. Une exoplanète peut être imagée si elle est suffisamment brillante. Habituellement, ceci est possible si la planète est chaude car jeune, et donc émet de la lumière en infrarouge. C’est pour cette raison que l’on traque des systèmes dont l’âge est de quelques millions à quelques dizaines de millions d’années. Or, on estime que Fomalhaut a 400 millions d’années et à cet âge, les planètes sont trop froides pour émettre suffisamment de lumière en infrarouge.

Donc, dès la découverte, les personnes qui avaient identifié l’objet (en particulier Paul Kalas, de Berkeley) avaient émis l’hypothèse que, pour être détectable dans le visible, il fallait qu’il ait une surface suffisante pour réfléchir la lumière de l’étoile. La surface d’une planète réfléchit en général 1/109 fois la lumière stellaire, ce qui n’est pas suffisant. D’où l’idée d’un nuage de poussière résultant de la collision de satellites ou d’anneaux comme autour Saturne. De ce fait, l’objet central pouvait avoir une masse très faible (quelques masses terrestres), mais réfléchir beaucoup de lumière stellaire. »

La confirmation du doute de 2012

Malgré l’observation d’un déplacement de l’objet autour de l’étoile grâce à un nouveau cliché de Hubble pris en 2006, ces doutes ont subsisté. Notamment, les astronomes trouvent curieux de ne pas apercevoir la planète Fomalhaut b avec le satellite Spitzer, sensible à l’infrarouge. Comment une planète peut-elle briller en visible avec Hubble et être totalement inexistante en infrarouge avec Spitzer ? À l’époque, Markus Janson, professeur au Département d’astronomie de l’université de Stockholm, en a eu le cœur net : il a observé Fomalhaut avec le réseau d’antennes Alma. Aujourd’hui, il rappelle : « Mes observations ont montré que la lumière observée avec Hubble pouvait ne pas venir d’une planète, mais plutôt d’un nuage de poussière. En principe, il y aurait pu encore y avoir une très petite et invisible planète au centre du nuage de poussière. Ce que la nouvelle étude de Gaspar et Rieke ajoute à ce scénario, c’est que l’on voit plus clairement qu’avant que le nuage de gaz est en train de se disperser. Cela signifie qu’il n’y a probablement pas de planète du tout dans le nuage, même pas une qui serait petite et invisible. »

Un nuage en dispersion

Initialement, l’objet avait l’air très compact. Ponctuel même. Et il pouvait ressembler à une planète. « La poussière est très efficace pour diffuser la lumière des étoiles, rappelle Anne-Marie Lagrange, de l’Institut de planétologie et d’astrophysique de Grenoble. Par exemple, il y a très peu de masse dans les disques de débris comme celui de Bêta Pictoris. » Or, on les voit très bien. L’objet pouvait donc être un nuage de poussière compact, donc très brillant. Mais il y avait un moyen de s’en assurer, souligne Markus Jason : « La question centrale était de savoir si le nuage de poussière se dispersait ou non. Si le nuage reste compact pendant un temps très long, il doit y avoir une planète au centre, pour retenir le nuage serré. Pendant longtemps, les indices que le nuage se dispersait ou non n’étaient pas clairs, mais avec la nouvelle étude de Gaspar et Rieke, je pense qu’il y aura un consensus sur le fait qu’il se disperse. »

Trajectoire particulière

Un autre argument fait encore plus pencher la balance vers l’absence de planète : la trajectoire suivie par l’objet. « Elle ne suit pas une orbite képlérienne, précise Anthony Boccaletti. Donc, l’objet est soumis à une autre force, issue des vitesses de collision et de la pression de radiation de l’étoile. » En effet, au lieu de tourner autour de l’étoile centrale en longeant le vaste disque de débris situé à un rayon d’environ 133 unités astronomiques (trois fois la distance entre le Soleil et Pluton), l’objet croise ce disque. Autrement dit, il s’éloigne de l’étoile. En 2012, cela avait suggéré que la supposée planète était en train de se faire éjecter du système. En fait, le nuage a acquis sa trajectoire particulière probablement soufflé par les photons de l’étoile, mais aussi par la collision qui lui a donné naissance.

Une collision observée presque en direct ?

Reste une question : quel événement est à l’origine de ce nuage de poussière aujourd’hui en dispersion ? Les spécialistes des exoplanètes questionnés pour cet article considèrent tous qu’il s’agit d’une collision. Anthony Boccaletti avance que ce nuage pourrait résulter du choc violent entre des planétésimaux de plus de 100 km de rayon. « C’est le processus typique pour expliquer la formation des disques de débris, et notamment l’anneau du disque de Fomalhaut qui lui, résulterait de collisions entre une multitude de planétesimaux », détaille-t-il.

Le disque qui entoure Fomalhaut cache-t-il des planètes ? Pour le moment, nos télescopes ne permettent pas de le savoir.

Et si ce nuage est apparu aussi compact et brillant lors des observations de 2004, ne serait-ce pas le signe que la collision originelle venait alors de se produire ? Anthony Boccaletti le suppose : « Probablement, les premières observations ont eu lieu peu après la collision. En astronomie, c’est très rare de saisir un événement bref compte tenu des échelles de temps… astronomiques. Ces collisions, bien que très rares, pourraient être augmentées par la présence d’autres planètes qui perturbent les orbites des planétésimaux et les amènent à entrer en collision. »

Planètes invisibles

Dagon n’est plus. Ou plus exactement, n’a jamais été. L’UAI va devoir débaptiser son premier monde extrasolaire. Cela ne signifie pas que le système de Fomalhaut est vide de toute planète. Bien au contraire, comme le souligne Anthony Bocaletti : « Fomalhaut est un objet très intéressant qui montre que la dynamique de ces disques est complexe et probablement soumise à la présence d’autres planètes que l’on ne voit pas forcément. Le fait de capturer des évènements peu probables comme ici permet d’apporter des contraintes sur l’évolution dynamique des systèmes planétaires. » La quête des planètes de Fomalhaut continue. Mais ces mondes brillent probablement trop peu pour que les télescopes actuels puissent les déceler.

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