Photographier des objets faibles à proximité d’étoiles brillantes est incroyablement difficile. Pourtant, en combinant les données du télescope spatial Gaia de l’ESA avec l’instrument GRAVITY de l’ESO au sol, les scientifiques y sont parvenus. Ils ont pris les premières photos de compagnons inédits de huit étoiles lumineuses. La technique ouvre la possibilité alléchante de capturer des images de planètes en orbite proche de leurs étoiles hôtes.
Avez-vous déjà essayé de prendre une photo d’une luciole à côté d’un lampadaire lumineux ? Il y a de fortes chances que tout ce que vous verrez sur votre photo soit l’éblouissement du lampadaire. C’est le même problème auquel sont confrontés les astronomes qui recherchent des étoiles ou des planètes faibles, petites, à côté d’une étoile brillante.
Pour résoudre ce problème, une équipe internationale d’astronomes dirigée par Thomas Winterhalder, scientifique à l’Observatoire européen austral (ESO), a commencé par parcourir le catalogue produit par Gaia, qui répertorie des centaines de milliers d’étoiles soupçonnées d’avoir un compagnon.
Bien que les objets compagnons ne soient pas suffisamment brillants pour être vus directement par Gaia, leur présence entraîne de minuscules oscillations sur la trajectoire des étoiles hôtes les plus lumineuses, que seule Gaia peut mesurer.
Dans le catalogue d’orbites stellaires de Gaia, l’équipe a identifié huit étoiles qui seront ciblées par GRAVITY, l’interféromètre avancé dans le proche infrarouge du Very Large Telescope de l’ESO, à Cerro Paranal au Chili. GRAVITY combine la lumière infrarouge de différents télescopes pour capter de minuscules détails dans des objets faibles, selon une technique appelée interférométrie. La recherche est publié dans la revue Astronomie et astrophysique.
Cagnotte
Grâce à l’œil particulièrement aiguisé et sensible de GRAVITY, l’équipe a capté le signal lumineux des huit compagnons prédits, dont sept étaient auparavant inconnus. Trois de ces compagnons sont des étoiles très petites et peu brillantes, tandis que les cinq autres sont des naines brunes. Ce sont des objets célestes situés entre les planètes et les étoiles : plus massifs que la plus lourde des planètes mais plus légers et plus pâles que la plus légère des étoiles.
L’une des naines brunes repérées dans cette étude orbite autour de son étoile hôte à la même distance que la Terre et le Soleil. C’est la première fois qu’une naine brune aussi proche de son étoile hôte peut être directement capturée.
« Nous avons démontré qu’il est possible de capturer l’image d’un compagnon faible, même lorsqu’il orbite très près de son hôte brillant », explique Thomas. « Cette réussite met en évidence la synergie remarquable entre Gaia et GRAVITY. Seule Gaia peut identifier des systèmes aussi étroits hébergeant une étoile et un compagnon « caché », et GRAVITY peut alors prendre le relais pour imager l’objet plus petit et plus faible avec une précision sans précédent. »
Dans une étude antérieure, les astronomes ont utilisé les données de Gaia et un autre observatoire au sol pour capturer l’image d’une exoplanète géante gazeuse. Cette planète orbite autour de son étoile hôte à environ 17 fois la distance entre la Terre et le Soleil, traçant dans le ciel un angle considérablement plus large que la séparation typique des compagnons imagés par GRAVITY dans ce nouveau résultat.
Les petits compagnons déduits des observations de Gaia se trouvent généralement à de minuscules angles de séparation de quelques dizaines de milliarcsecondes, soit à peu près la taille d’une pièce d’un euro vue à 100 km de distance.
« Dans nos observations, les données Gaia agissent comme une sorte de panneau indicateur », poursuit Thomas. « La partie du ciel que nous pouvons voir avec GRAVITY est très petite, nous devons donc savoir où regarder. Les mesures précises sans précédent des mouvements et des positions des étoiles de Gaia sont essentielles pour orienter notre instrument dans la bonne direction dans le ciel. «
Plus de 5 000 exoplanètes ont été découvertes à ce jour, mais à quoi ressemblent-elles ? Les missions exoplanétaires dédiées de l’ESA, Cheops, Plato et Ariel, sont en quête de découverte. Cheops concentrera ses recherches sur les mini-Neptunes, planètes de taille comprise entre la Terre et Neptune, sur de courtes orbites autour de leurs étoiles. Khéops découvrira la taille de ces planètes et pourra détecter si elles ont des nuages. Platon examinera toutes sortes d’exoplanètes et déterminera leur taille et leur âge. Les instruments de Platon sont si sensibles qu’ils pourraient découvrir la première planète semblable à la Terre sur une orbite semblable à celle de la Terre. Enfin, Ariel observera les atmosphères des exoplanètes grâce à la technique de spectroscopie par transmission et découvrira de quoi elles sont constituées. Ensemble, ces missions découvriront à quoi ressemblent les exoplanètes et leurs systèmes et révéleront également à quel point notre propre système solaire est spécial. Crédit : Agence spatiale européenne
Équipe de rêve
La complémentarité de Gaia et GRAVITY va au-delà de l’utilisation des données de Gaia pour planifier des observations de suivi et permettre des détections. En combinant les deux ensembles de données, les scientifiques ont pu « peser » les objets célestes individuels séparément et distinguer la masse de l’étoile hôte et de son compagnon respectif.
GRAVITY a également mesuré le contraste entre l’étoile compagnon et l’étoile hôte sur une gamme de longueurs d’onde dans l’infrarouge. Combinées aux estimations de la masse, ces connaissances ont permis à l’équipe d’évaluer l’âge des compagnons.
Étonnamment, deux des naines brunes se sont révélées moins lumineuses que ce à quoi on pourrait s’attendre compte tenu de leur taille et de leur âge. Une explication possible à cela pourrait être que les nains eux-mêmes ont un compagnon encore plus petit.
À la chasse aux exoplanètes
Après avoir démontré la puissance de l’ensemble Gaia-GRAVITY, les scientifiques s’attendent désormais à retrouver d’éventuelles planètes compagnes des étoiles répertoriées dans le catalogue Gaia.
« La capacité de détecter les minuscules mouvements de paires proches dans le ciel est unique à la mission Gaia. Le prochain catalogue, qui sera mis à disposition dans le cadre de la quatrième publication de données (DR4), contiendra une collection encore plus riche de données. étoiles avec des compagnons potentiellement plus petits », remarque Johannes Sahlmann, scientifique Gaia de l’ESA.
« Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives dans la chasse aux planètes de notre galaxie et nous promet un aperçu de nouveaux mondes lointains. »
Plus d’information:
TO Winterhalder et al, Combinant Gaia et GRAVITY : Caractérisation de cinq nouveaux compagnons substellaires directement détectés, Astronomie et astrophysique (2024). DOI : 10.1051/0004-6361/202450018. Sur arXiv: DOI : 10.48550/arxiv.2403.13055