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L’ASTRE EN ORBITE AUTOUR DE L’ÉTOILE HD 114762, DÉCOUVERT EN 1989 : UNE ÉTOILE NAINE ET NON PAS UNE EXOPLANÈTE

En 1989, un objet a été découvert en orbite autour de l’étoile HD 114762. Ses caractéristiques pouvaient laisser penser que ce compagnon était une planète extrasolaire, mais aucune conclusion définitive ne fut tirée et sa nature exacte restait incertaine. Aujourd’hui, un jeune chercheur de l’Institut d’Astrophysique de Paris montre que ce compagnon n’est pas une planète mais une étoile peu massive, au moyen de données du satellite Gaia. Ce résultat confirme que 51 Peg b est bien la première planète extrasolaire découverte autour d’une étoile de type solaire (en 1995), une découverte majeure du 20ème siècle, qui vaut à ses auteurs, Michel Mayor et Didier Queloz, le Prix Nobel de physique 2019.

Figure 1 : Vue d’artiste d’un compagnon naine brune en orbite autour de son étoile-hôte, en arrière-plan (crédits : Observatoire de Paris / UFE).

En 1995, à l’Observatoire de Haute-Provence, les astronomes Michel Mayor et Didier Queloz découvraient 51 Peg b, la première planète en orbite autour d’une étoile similaire au Soleil. Cette découverte a constitué une véritable révolution en astrophysique. Depuis, plus de 4000 autres planètes extrasolaires ont été détectées, permettant d’explorer la diversité des systèmes planétaires, de mieux comprendre leurs modes de formation et d’évolution, et ouvrant la voie à la détection de planètes potentiellement habitables.

L’exoplanète 51 Peg b a été détectée de manière indirecte par la méthode dite des « vitesses radiales ». Cette technique permet de mesurer les infimes variations périodiques de vitesse provoquées par la présence d’un compagnon en orbite autour d’elle, ce compagnon pouvant être une planète ou une autre étoile. Malheureusement, dans la plupart des cas, étant donné que la méthode des vitesses radiales ne peut mesurer que la variation de vitesse le long de la direction d’observation, il n’est pas possible de connaître la masse réelle du compagnon ; seule une valeur minimale de la masse est mesurée. Ainsi, s’il advient que le plan de l’orbite d’un compagnon est situé exactement dans le plan du ciel, aucune variation de vitesse de l’étoile principale ne sera décelable. Pourtant, il est nécessaire de connaître la masse pour déterminer la nature d’un tel compagnon : si la masse est voisine de celle de la Terre ou de Jupiter, il s’agit bien d’une planète ; si la masse est supérieure à environ 13 fois la masse de Jupiter, le compagnon est une naine brune (un objet intermédiaire entre une étoile et une planète) ou même éventuellement une étoile (plus de 80 fois la masse de Jupiter). Dans le cas de 51 Peg b, il a été montré qu’il s’agissait bien d’une planète, d’une masse d’environ la moitié de celle de Jupiter.

Cependant, en 1989, un compagnon fut découvert autour de l’étoile HD 114762 par la méthode des vitesses radiales. Les résultats d’alors montrèrent que sa masse valait au minimum 11 fois celle de Jupiter, mais la masse réelle restait inconnue. La masse minimale étant élevée, il semblait peu probable que ce compagnon soit de nature planétaire. Sa découverte n’a donc pas provoqué la révolution survenue six ans plus tard avec la détection de 51 Peg b. Par la suite, plusieurs indices ont suggéré que le compagnon de HD 114762 n’était pas une planète massive, mais plutôt une naine brune ou une étoile de type naine rouge (c’est-à-dire une étoile moins massive et moins chaude que le Soleil). Néanmoins, sa nature exacte restait incertaine et discutée.

Aujourd’hui, le satellite Gaia permet de déterminer la nature du compagnon de HD 114762. Gaia est une mission de l’Agence spatiale européenne (en anglais) qui mesure de manière extrêmement précise la position et le mouvement de plus d’un milliards d’étoiles sur la voûte céleste. Ces données permettent de détecter indirectement des compagnons stellaires ou même planétaires des étoiles observées, et de mesurer leurs masses. Quand les données ultimes de Gaia seront disponibles, après 2022, les masses précises de milliers de planètes extrasolaires, naines brunes et étoiles multiples pourront être mesurées.

Figure 2 : Simulation de l’excès du bruit astrométrique (variation de position) de l’étoile HD 114762 en fonction de l’inclinaison de l’orbite de son compagnon. Les lignes rouges verticales indiquent la mesure de Gaia et ses barres d’erreur ; elles permettent de déduire une inclinaison de 6º (avec une marge d’erreur de -1.3º et +2.0º) pour l’orbite du compagnon, ainsi qu'une masse réelle de celui-ci comprise entre 82 et 139 masses de Jupiter, avec un indice de confiance de 68.3% (crédits : Flavien Kiefer)

En utilisant les premières données obtenues par Gaia, Flavien Kiefer, chercheur post-doctorant à l’Institut d’Astrophysique de Paris, a développé une méthode novatrice pour estimer la masse réelle de certains compagnons d’étoiles. Il l’a appliquée à l’étoile HD 114762 pour tenter de révéler, enfin, la nature réelle de son compagnon.

Cette méthode consiste à effectuer une série de simulations des orbites possibles du compagnon de HD 114762, en testant dans chaque simulation un angle différent pour l’inclinaison de l’orbite par rapport au plan du ciel, vue depuis la Terre. Les simulations qui reproduisent le mieux les variations de position de HD 114762 sur la voûte céleste mesurées avec GAIA, déterminent l’inclinaison de l’orbite : une inclinaison de 6º est déduite (Figure 2), c’est-à-dire une orbite presque vue de face (avec une inclinaison de 90º, on la verrait par la tranche). Grâce aux paramètres orbitaux de l’objet compagnon, déduits des variations de vitesse radiale de HD 114762 (mesurées par des spectroscopes au sol), la valeur de l’inclinaison permet d’estimer la masse du compagnon.

Les variations de la position de HD 114762 mesurées par Gaia sont de l’ordre de 1,1 milliseconde d’angle (Figure 2), soit bien plus élevées que ce qui est attendu pour ce type d’étoile. Utilisant cette mesure, Flavien Kiefer a pu en déduire que la masse réelle de son compagnon était environ 110 fois plus élevée que celle de Jupiter (soit un dixième de la masse du Soleil). Cela place clairement cet objet en dehors du domaine des planètes. Trente ans après sa découverte, la nature de l’astre en orbite autour de HD 114762 est enfin connue : il ne s’agit pas d’une planète mais d’une étoile de type naine rouge.

51 Peg b, dont la découverte est célébrée à Stockholm le 10 décembre 2019 par la remise du prix Nobel de physique à Michel Mayor et Didier Queloz (partagé pour moitié avec James Peebles pour ses travaux en cosmologie), est bien la toute première planète jamais détectée autour d’une étoile similaire au Soleil.

Liens

puce Prix Nobel de physique 2019 : James Peebles, Michel Mayor et Didier Queloz
puce L’article (en anglais) dans le journal Astronomy and Astrophysics : Volume 632, L9, 2019 (accès public : arXiv)
puce Communiqué spécial (en anglais) du journal Astronomy and Astrophysics concernant l’article ci-dessus - annoncé également par les comptes Twitter @AandA_journal (en anglais), et Facebook du journal

Contacts

Écriture web : Valérie de Lapparent
Mise en page : Jean Mouette

Décembre 2019

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