La mission Gaia de l’ESA est notre vaisseau spatial de mesure d’étoiles le plus précis. Il est occupé à cartographier les positions et les vitesses radiales d’un milliard d’étoiles dans la Voie lactée. L’objectif de la mission est de créer une carte représentative de la population stellaire de la galaxie avec une précision sans précédent. La mission a publié 3 ensembles de données depuis sa création, menant à de nombreuses découvertes.
Maintenant, une équipe d’astronomes a trouvé une exoplanète avec l’aide de Gaia, un résultat involontaire de la mission ambitieuse.
La plupart des exoplanètes sont trouvées en utilisant la méthode du transit, où une exoplanète passe devant son étoile et provoque une baisse de la lumière. Mais cette méthode a ses limites, comme toute méthode. La méthode des transits est une observation indirecte d’une exoplanète. Tout ce que les observateurs voient, c’est le creux de la lumière des étoiles, pas la planète elle-même, et bien que le creux fournisse des informations importantes, ces informations sont limitées.
Les observations directes fournissent plus d’informations mais sont beaucoup plus difficiles. Nous obtenons seulement maintenant des télescopes suffisamment puissants pour observer directement les exoplanètes. Le puissant télescope spatial James Webb a directement imagé l’exoplanète HIP 65426 b en 2022. Grâce au JWST et aux puissants télescopes au sol qui sont en voie d’achèvement, les astronomes arrivent à un point où ils peuvent utiliser les observations directes et indirectes des exoplanètes pour en savoir plus sur eux, au moins dans certains cas.
Dans cette nouvelle recherche, les données de Gaia ont joué un rôle central, aidées par les données de la mission Hipparcos de l’ESA, aujourd’hui disparue, le prédécesseur de Gaia. Ces données ont indiqué aux astronomes où pointer le télescope Subaru sur le Mauna Kea, qui a fourni des observations directes et une confirmation de l’exoplanète lointaine.
L’équipe d’astronomes qui a découvert la planète a présenté ses résultats dans un article de recherche paru dans la revue Science. L’article est “Imagerie directe et détection astrométrique d’une planète géante gazeuse en orbite autour d’une étoile en accélération.” L’auteur principal est Thayne Currie de l’Observatoire astronomique national du Japon et du centre de recherche Ames de la NASA.
“C’est une sorte de test pour le type de stratégie dont nous avons besoin pour pouvoir imager une Terre.”
Thayne Currie, NASA, NAOJ
Les astronomes n’ont pu observer qu’environ 20 exoplanètes directement, et c’est sur plus de 5000 exoplanètes confirmées. Et les 20 ont tous deux choses en commun : ils orbitent à une grande distance de leurs étoiles, et ils sont beaucoup plus massifs que Jupiter. Avec notre niveau technologique actuel, ce sont les seules exoplanètes que nous pouvons vraiment voir directement.
Les scientifiques aimeraient trouver et étudier davantage de ces planètes car elles sont rares. Il n’y a rien de tel dans notre système solaire. Mais ils doivent savoir où chercher, et c’est là que cette nouvelle méthode entre en jeu. Les données de Gaia et Hipparcos ont révélé l’oscillation révélatrice d’une étoile alors qu’une planète massive la tirait gravitationnellement. Cela nous amène à une distinction importante entre les observations indirectes et directes des exoplanètes.
Les observations indirectes comme la méthode bien connue des transits ratissent large. Ils surveillent simultanément un grand nombre d’étoiles dans un segment du ciel, à la recherche de baisses répétées de la lumière des étoiles lorsque les planètes transitent devant elles. Cela ne fonctionne que lorsque notre point de vue est juste. Nous devons regarder le système à travers le plan orbital des planètes ; sinon, la planète ne passe pas devant son étoile de notre point de vue, et il n’y a pas de baisse détectable dans la lumière des étoiles. D’autres méthodes indirectes ciblent un type d’étoile spécifique, les naines rouges de faible masse par exemple, et espèrent détecter certains transits.
Mais pour trouver les planètes plus rares qui sont plus massives que Jupiter et orbitent leurs étoiles à une grande distance – si grande qu’il pourrait prendre des centaines d’années pour qu’un transit se produise – les astronomes ont besoin d’un moyen plus ciblé pour les trouver. Jeter un large filet n’est pas efficace, et c’est là que Currie et ses co-auteurs ont cherché une solution différente.
“Nous voulions une stratégie différente”, a déclaré l’auteur principal Thayne Currie.
Leurs efforts pour développer une stratégie différente les ont conduits au catalogue d’accélérations Hipparcos-Gaia (HGCA). Le HGCA est une collaboration croisée des données de Gaia et Hipparcos qui met en évidence les étoiles à accélération astrométrique. La mesure du catalogue des mouvements propres “… fournit un outil puissant pour mesurer les masses et les orbites des compagnons faibles et massifs des étoiles proches”, selon l’introduction du catalogue.
Même si le type de planète en question orbite autour de son étoile à une grande distance, sa masse est suffisamment grande pour tirer sur l’étoile, créant une oscillation. Mesurer l’oscillation qu’une planète induit dans son étoile fait partie de l’astrométrie.
Bien sûr, ces planètes n’étaient pas là dans la plaine de données pour que quiconque puisse les voir. Currie et ses collègues devaient encore les trouver. Après avoir travaillé avec l’HGCA, ils ont trouvé ce qu’ils cherchaient. L’équipe a identifié un certain nombre de candidats qui pourraient être des planètes massives tirant sur leurs étoiles à distance.
Ensuite, ils se sont tournés vers le télescope Subaru du NAOJ. Le télescope a un grand miroir de 8 mètres. Mais peut-être plus important encore, il dispose de deux instruments puissants : l’instrument Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO) et l’instrument Coronagraphic High-Resolution Imager and Spectrograph (CHARIS). L’équipe a utilisé le télescope et les instruments en juillet et septembre 2020 et en mai et octobre 2021. Avec ces observations, l’équipe a trouvé ce qu’elle cherchait ; une exoplanète géante sur une large orbite.
La nouvelle planète s’appelle HIP 99770 b, HIP faisant référence au catalogue de données d’Hipparchos. HIP 99770 b est environ 14 à 16 fois plus massive que Jupiter et orbite autour d’une étoile environ deux fois plus massive que le Soleil. Son orbite est trois fois plus grande que celle de Jupiter autour du Soleil.
Les chercheurs sont ravis de trouver la première exoplanète avec leur méthode et espèrent que ce n’est que le début.
“Cela ouvre une nouvelle voie pour découvrir plus d’exoplanètes et les caractériser d’une manière beaucoup plus holistique que nous ne pouvions le faire auparavant”, déclare Currie.
La combinaison de mesures directes et de mesures indirectes est une approche holistique de la science des exoplanètes qui ne fera que croître à l’avenir. La combinaison est efficace et logique. Chaque type de mesure apporte quelque chose de différent à notre compréhension d’une exoplanète.
Les mesures directes sont efficaces pour limiter la température et la composition d’une planète, et les mesures indirectes sont efficaces pour mesurer la masse et l’orbite d’une planète. Lorsque les astronomes combinent des mesures directes de la position d’une planète avec des mesures indirectes de sa masse et de son orbite, une image plus complète de la planète émerge.
Pour l’exoplanète HIP 99770 b, ce n’est qu’un début. Maintenant que les astronomes savent qu’il est là, il y aura des observations de suivi pour approfondir notre compréhension de celui-ci. “La découverte de cette planète engendrera des dizaines d’études de suivi”, déclare Currie.
Cette méthode a fait ses preuves une fois, et elle sera sans aucun doute affinée et utilisée pour trouver d’autres planètes géantes. L’équipe a identifié un certain nombre d’étoiles candidates dans le catalogue Hipparchos-Gaia qui pourraient héberger des planètes géantes sur de larges orbites, et l’étoile HIP 99770 a été l’une des premières qu’elle a examinées. Cela augure bien pour le reste des candidats qu’ils ont extraits du catalogue.
“HIP 99770 b est une preuve de concept de cette nouvelle stratégie pour trouver des planètes imageables qui s’amélioreront bien au cours des cinq prochaines années”, déclare Currie.
La prochaine publication de données de Gaia sera la quatrième. Ce sera son ensemble de données le plus complet car il a une base de référence plus longue, près de 5,5 ans. Toutes ces données permettront de repérer encore plus facilement d’autres planètes géantes sur de larges orbites.
Les planètes géantes sur de larges orbites sont des anomalies intéressantes qui peuvent éventuellement en dire long aux astronomes sur l’évolution et l’architecture du système solaire. Mais le but ultime de la recherche sur les exoplanètes est de trouver une autre planète similaire à la nôtre. L’approche holistique développée par l’équipe peut éventuellement être utilisée dans la recherche d’une soi-disant Terre 2.0. Une planète semblable à la Terre sera beaucoup plus proche de son étoile, ce qui signifie qu’elle passera beaucoup de temps derrière ou devant l’étoile. Cela rend très difficile l’imagerie directe, bien que les transits puissent être détectés si la planète orbite sur le bon plan depuis notre point de vue. Mais cette approche combinée est très prometteuse.
“C’est une sorte de test pour le type de stratégie dont nous avons besoin pour pouvoir imager une Terre. Il démontre qu’une méthode indirecte sensible à l’attraction gravitationnelle d’une planète peut vous dire où regarder et exactement quand rechercher une imagerie directe. Je pense donc que c’est vraiment excitant », déclare Thayne.
