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NOUVELLES DÉCOUVERTES DANS LE SYSTÈME PLANÉTAIRE JEUNE AU MICROSCOPII

Une équipe internationale conduite par l'Institut d'astrophysique de Paris a récemment publié des études du système planétaire jeune AU Microscopii. Grâce à l'instrument SPIRou installé au Télescope Canada-France-Hawaï, elle a mesuré l'activité magnétique intense de son étoile et l'obliquité d'une première planète ; avec le satellite TESS de la NASA, elle a détecté et caractérisé une seconde planète en transit. Ces résultats contribuent à une meilleure compréhension des modes de formation et d’évolution des systèmes planétaires.

Vue d’artiste de la jeune étoile AU Mic et d'une de ses deux planètes. Figure 1 : Vue d’artiste de la jeune étoile AU Mic et d'une de ses deux planètes. Les traînées rouges suggèrent le champ magnétique de l’étoile. Des éruptions sont également stylisées à la surface de cette étoile active. Crédits : NASA-JPL/Caltech.

La première planète en orbite autour d’une étoile autre que le Soleil, c’est-à-dire la première exoplanète, a été découverte en 1995 par les astronomes suisses Michel Mayor et Didier Queloz à l’Observatoire de Haute-Provence, en France. Le Prix Nobel de physique qu’ils ont reçu en 2019 pour cette découverte souligne la révolution qu’elle a constituée pour l'astrophysique. Des centaines d’astronomes travaillent à présent en exoplanétologie à travers le monde. Les plus de 4500 exoplanètes connues aujourd'hui révèlent la grande abondance et la diversité des planètes dans notre galaxie et permettent aux chercheuses et chercheurs de mieux comprendre les modes de formation et d’évolution des systèmes planétaires.

L'un des axes de recherche actuels consiste à étudier les planètes autour de différents types d'étoile, afin d'établir les relations possibles entre les propriétés des étoiles et celles des planètes qu'elles hébergent. Si les planètes connues sont pour la plupart d’entre elles en orbite autour d'étoiles ayant un âge similaire à celui du Soleil, c'est-à-dire quelques milliards d'années, quelques-unes le sont autour d'étoiles beaucoup plus jeunes. L'étude de ces dernières permet d'explorer les propriétés des systèmes planétaires ayant été formés récemment, et ainsi de mieux comprendre les processus physiques qui gouvernent leur évolution.

Dans ce contexte, le système planétaire AU Microscopii (AU Mic) est particulièrement intéressant. Il est hébergé par une étoile deux fois moins massive que le Soleil, âgée de seulement 22 millions d’années et entourée d'un disque formé de poussières et de gaz, qui serait le résidu du disque « protoplanétaire » (dans lequel les planètes se seraient formées). La jeunesse de cette étoile s'illustre dans sa vitesse de rotation élevée et sa forte activité magnétique (éruptions, champ magnétique intense, taches stellaires similaires aux taches solaires mais bien plus nombreuses ; voir Figure 1).

En observant cette étoile en 2018, le satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA a révélé qu'une planète environ quatre fois plus grosse que la Terre était en orbite autour de cette étoile, et passait devant elle tous les 8,5 jours ; on observe ainsi un transit planétaire. Cette planète est à 0,065 unité astronomique de son étoile (l'unité astronomique correspond à la distance entre la Terre et le Soleil). La découverte d'une planète autour d'une étoile aussi jeune a suscité un grand intérêt parmi les exoplanétologues, et de nombreuses études de ce système ont été entreprises.

Au sein d'une collaboration internationale, une équipe de l'Institut d'astrophysique de Paris menée par le post-doctorant Eder Martioli a entrepris, en 2019, d'observer cette planète avec le spectropolarimètre SPIRou, instrument menant ses programmes scientifiques depuis 2019 au Télescope Canada-France-Hawaï (TCFH). Ces observations ont permis de mesurer le magnétisme de l'étoile, de mieux comprendre les effets qu'il induisait sur les mesures spectroscopiques, et d'en déduire l'obliquité du système (voir Figure 2). L'obliquité est l'angle entre le plan de l’orbite de la planète autour de l’étoile et le plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’étoile (plan « équatorial »). La mesure a révélé une obliquité nulle : la planète tourne dans le plan équatorial de son étoile, et dans le même sens que la rotation de l’étoile sur elle-même. Cela est en accord avec les modèles considérant que les planètes se forment dans un disque lui aussi perpendiculaire à l’axe de rotation stellaire. Plusieurs exoplanètes en orbite autour d'étoiles plus vieilles présentent des orbites non alignées : les résultats de SPIRou suggèrent que ces non-alignements ne sont pas présents à la naissance des systèmes planétaires, mais surviennent plus tard au cours de leur évolution.

Une seconde étude du système AU Mic a été menée par cette même équipe à l'Institut d'astrophysique de Paris. Celle-ci repose sur les observations de TESS, en utilisant les données de 2018 complétées par les nouvelles observations faites par le satellite en 2020. L'analyse fine de l'ensemble de ces données a permis de confirmer que l'étoile tournait rapidement sur elle-même (en un peu moins de cinq jours) et présentait plusieurs éruptions par jour à sa surface (voir Figure 3), similaires aux éruptions solaires vues parfois à la surface de notre étoile, mais bien plus intenses. La modélisation et la correction de ces effets a permis de raffiner la mesure des paramètres de la planète déjà connue dans ce système, et a en outre permis d'y détecter et caractériser une planète supplémentaire, elle aussi en transit devant son étoile. La seconde planète du système AU Mic est un peu plus éloignée et petite que la première : elle fait le tour de son étoile en 18,9 jours et elle est trois fois plus grosse que la Terre. Elle est située à 0,11 unité astronomique de son étoile.

La configuration de ce système est dynamiquement stable, c'est-à-dire que les interactions gravitationnelles entre ses deux planètes ne vont pas conduire à l'éjection de l'une d'entre elles, ou à des collisions des deux planètes. Cependant, ces interactions sont significatives et causent de petites variations de leurs orbites avec le temps : on s'attend à ce que leurs transits se produisent quelques dizaines de secondes en avance ou en retard par rapport à une orbite exactement périodique. De futures mesures devraient confirmer cette prédiction. De manière générale, AU Mic est un système clef qui va permettre de nombreuses études des planètes jeunes, de leurs atmosphères, des interactions planète-planète et planète-disque. Les chercheurs et chercheuses pourront ainsi mieux comprendre les phases les plus jeunes des systèmes planétaires au cours de leur évolution.

Vue schématique de la mesure de l'obliquité du système AU Mic.

Figure 2 : Vue schématique de la mesure de l'obliquité du système AU Mic. La planète tourne dans le même sens que l'étoile, et son plan orbital est aligné avec le plan équatorial de l'étoile. Crédits : R Cardoso Reis, IA/UPorto

Détection de la deuxième planète du système AU Mic.

Figure 3 : Détection de la deuxième planète du système AU Mic. La quantité de lumière mesurée par le satellite TESS en fonction du temps est représentée en bleu. Les éruptions de l’étoile sont modélisées (en jaune) ainsi que le transit de la planète devant l’étoile (en rouge), c'est-à-dire le moment où la planète passe devant l’étoile et cache une partie de sa lumière. Crédits : Martioli et al. (2021), IAP.

Ces travaux ont été menés par l'Institut d'astrophysique de Paris (CNRS, Sorbonne Université) au sein de collaborations internationales. Ils sont en partie financés par la Région Île-de-France et l'Agence nationale de la recherche.

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Avril 2021

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