Cette illustration d’artiste représente les cinq naines brunes découvertes avec le satellite TESS. Ces objets sont tous sur des orbites rapprochées de 5 à 27 jours (au moins 3 fois plus proches que Mercure ne l’est du soleil) autour de leurs étoiles hôtes beaucoup plus grandes. Crédit : Thibaut Roger – UNIGE
Une équipe internationale, dirigée par l’UNIGE, a investigué cinq objets astronomiques qui pourraient nous aider à comprendre la nature mystérieuse des naines brunes.
Les naines brunes sont des objets astronomiques dont les masses se situent entre celles des planètes et des étoiles. La question de savoir où se situent exactement les limites de leur masse reste un sujet de débat, d’autant plus que leur constitution est très similaire à celle des étoiles de faible masse. Alors comment savoir s’il s’agit d’une naine brune ou d’une étoile de très faible masse ? Une équipe internationale, dirigée par des scientifiques de l’Université de Genève (UNIGE) et du Pôle national suisse de recherche (PRN) PlanetS, en collaboration avec le Université de Berne, a identifié cinq objets qui ont des masses près de la frontière séparant les étoiles et les naines brunes qui pourraient aider les scientifiques à comprendre la nature de ces objets mystérieux. Les résultats sont disponibles dans la revue Astronomie & Astrophysique.
Comme Jupiter et d’autres planètes gazeuses géantes, les étoiles sont principalement constituées d’hydrogène et d’hélium. Mais contrairement aux planètes gazeuses, les étoiles sont si massives et leur force gravitationnelle si puissante que les atomes d’hydrogène fusionnent pour produire de l’hélium, libérant d’énormes quantités d’énergie et de lumière.
« Étoiles ratées »
Les naines brunes, en revanche, ne sont pas assez massives pour fusionner l’hydrogène et ne peuvent donc pas produire l’énorme quantité de lumière et de chaleur des étoiles. Au lieu de cela, ils fusionnent des réserves relativement petites d’une version atomique plus lourde de l’hydrogène : le deutérium. Ce processus est moins efficace et la lumière des naines brunes est beaucoup plus faible que celle des étoiles. C’est pourquoi les scientifiques les appellent souvent « étoiles ratées ».
“Cependant, nous ne savons toujours pas exactement où se situent les limites de masse des naines brunes, limites qui permettent de les distinguer des étoiles de faible masse qui peuvent brûler de l’hydrogène pendant plusieurs milliards d’années, alors qu’une naine brune aura une courte phase de combustion. puis une vie plus froide », souligne Nolan Grieves, chercheur au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE, membre du PRN PlanetS et premier auteur de l’étude. « Ces limites varient en fonction de la composition chimique de la naine brune, par exemple, ou de la façon dont elle s’est formée, ainsi que de son rayon initial », explique-t-il. Pour avoir une meilleure idée de ce que sont ces objets mystérieux, nous devons étudier des exemples en détail. Mais il s’avère qu’ils sont plutôt rares. “Jusqu’à présent, nous n’avons caractérisé avec précision qu’une trentaine de naines brunes”, explique le chercheur genevois. Comparé aux centaines de planètes que les astronomes connaissent en détail, c’est très peu. D’autant plus si l’on considère que leur plus grande taille rend les naines brunes plus faciles à détecter que les planètes.
De nouvelles pièces au puzzle
Aujourd’hui, l’équipe internationale a caractérisé cinq compagnons initialement identifiés avec le satellite Transiting Exoplanet Survey (ESSAI) en tant qu’objets d’intérêt TESS (TOI) – TOI-148, TOI-587, TOI-681, TOI-746 et TOI-1213. Ceux-ci sont appelés « compagnons » car ils orbitent autour de leurs étoiles hôtes respectives. Ils le font avec des périodes de 5 à 27 jours, ont des rayons compris entre 0,81 et 1,66 fois celui de Jupiter et sont entre 77 et 98 fois plus massifs. Cela les place à la frontière entre les naines brunes et les étoiles.
Ces cinq nouveaux objets contiennent donc de précieuses informations. « Chaque nouvelle découverte révèle des indices supplémentaires sur la nature des naines brunes et nous permet de mieux comprendre comment elles se forment et pourquoi elles sont si rares », explique Monika Lendl, chercheuse au département d’astronomie de l’UNIGE et membre de l’Institut PRN PlanèteS.
L’un des indices que les scientifiques ont trouvé pour montrer que ces objets sont des naines brunes est la relation entre leur taille et leur âge, comme l’explique François Bouchy, professeur à l’UNIGE et membre du PRN PlanetS : « Les naines brunes sont censées rétrécir avec le temps car elles brûler leurs réserves de deutérium et se refroidir. Ici, nous avons constaté que les deux objets les plus anciens, TOI 148 et 746, ont un rayon plus petit, tandis que les deux plus jeunes compagnons ont des rayons plus grands.
Pourtant, ces objets sont si proches de la limite qu’ils pourraient tout aussi bien être des étoiles de très faible masse, et les astronomes ne savent toujours pas s’il s’agit de naines brunes. “Même avec ces objets supplémentaires, nous manquons encore de chiffres pour tirer des conclusions définitives sur les différences entre les naines brunes et les étoiles de faible masse. D’autres études sont nécessaires pour en savoir plus », conclut Grieves.
Référence : « Populating the brown dwarf and stellar border: Five stars with transiting compagnons near the hydro-burning mass limit » par Nolan Grieves, François Bouchy, Monika Lendl, Theron Carmichael, Ismael Mireles, Avi Shporeer, Kim K. McLeod, Karen A Collins, Rafael Brahm, Keivan G. Stassun, Sam Gill, Luke G. Bouma, Tristan Guillot, Marion Cointepas, Leonardo A. Dos Santos, Sarah L. Casewell, Jon M. Jenkins, Thomas Henning, Louise D. Nielsen, Angelica Psaridi, Stéphane Udry, Damien Ségransan, Jason D. Eastman, George Zhou, Lyu Abe, Abelkrim Agabi, Gaspar Bakos, David Charbonneau, Kevin I. Collins, Knicole D. Colon, Nicolas Crouzet, Georgina Dransfield, Phil Evans, Robert F. Goeke, Rhodes Hart, Jonathan M. Irwin, Eric LN Jensen, Andrés Jordán, John F. Kielkopf, David W. Latham, Wenceslas Marie-Sainte, Djamel Mékarnia, Peter Nelson, Samuel N. Quinn, Don J. Radford, David R Rodriguez, Pamela Rowden, François-Xavier Schmider, Richard P. Schwarz, Jeffrey C. Smith, Chris Stockdale, O lga Suarez, Thiam-Guan Tan, Amaury HMJ Triaud, William Waalkes et Geof Wingham, 20 août 2021, Astronomie & Astrophysique.
DOI : 10.1051/0004-6361/202141145
