À la recherche de protoplanètes au cœur du disque d’AB Aurigae
Bien que des milliers d’exoplanètes soient aujourd’hui connues, leur formation reste difficile à observer, car les jeunes planètes émettent peu de lumière et demeurent enfouies dans leur environnement. Elles se formeraient durant les premiers millions d’années de la vie des systèmes planétaires, au sein de vastes disques protoplanétaires constitués de gaz et de poussières. AB Aurigae est une étoile très jeune entourée d’un tel disque, dans lequel de nombreux indices suggèrent qu’un processus de formation planétaire est en cours. Grâce à sa luminosité et à l’étendue de son disque, AB Aurigae constitue un laboratoire idéal pour étudier les conditions dans lesquelles les planètes commencent à se former autour des étoiles de masse intermédiaire.
En 2017, ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) observe AB Aurigae dans le domaine submillimétrique afin de cartographier les grosses poussières et le gaz froid du disque. Les observations révèlent deux vastes spirales de gaz à moins de 100 unités astronomiques de l’étoile ainsi qu’une cavité au centre du disque. Les modèles suggèrent que ces bras spiraux pourraient être engendrés par un compagnon invisible situé entre 60 et 80 UA, dont l’influence gravitationnelle perturbe le gaz et produit des ondes comparables au sillage d’un bateau. Ils indiquent également que la grande cavité observée au centre du disque pourrait être expliquée par un second compagnon situé vers 30 UA, soit approximativement la distance de Neptune au Soleil.
En 2019 et 2020, une équipe internationale menée par le LIRA observe ces spirales avec l’instrument SPHERE du Very Large Telescope (ESO), pour lequel le laboratoire est fortement impliqué. En imageant, dans le proche infrarouge, la lumière de l’étoile diffusée par les poussières, SPHERE confirme l’existence des deux bras spiraux et révèle surtout une torsion à leur jonction, à la position correspondant à la structure f1 (cf. Figure 1). Cette structure, qui relie un bras spiral dirigé vers l’intérieur et un autre vers l’extérieur, est compatible avec les modèles de formation planétaire et constitue un nouvel indice fort en faveur de l’existence d’une protoplanète. Celle-ci demeure toutefois invisible et sa masse reste difficile à déterminer.
En 2021, une équipe américaine utilise le télescope spatial Hubble et le télescope Subaru (Hawaï) pour observer le disque dans le domaine visible et imager la raie d’émission de l’hydrogène (Hα), caractéristique du gaz très chaud entourant une planète en cours de formation. Les observations révèlent un point lumineux compatible avec une protoplanète de type Jupiter située à environ 93 unités astronomiques de l’étoile. Nommée AB Aur b, cette source est difficilement détectable dans les images de SPHERE (cf. Figure 1). Cette interprétation est toutefois contestée par d’autres équipes, qui estiment que ce signal pourrait n’être qu’un simple reflet de l’émission stellaire.
Enfin, les données astrométriques du satellite Gaia pourraient également suggérer la présence d’un compagnon stellaire plutôt que d’une protoplanète. Cette hypothèse demeure cependant très incertaine, les mesures étant fortement perturbées par l’environnement riche en gaz et en poussières qui entoure encore cette jeune étoile, dont une partie de la matière est accrétée à sa surface et y crée des zones de surbrillance.
L’étau se resserre autour de la piste des protoplanètes
Afin de mieux comprendre l’origine de ces structures, l’équipe internationale menée par le LIRA poursuit l’imagerie d’AB Aurigae avec l’instrument SPHERE du Very Large Telescope. Les nouvelles observations complètent les précédentes, portant à trois le nombre total d’observations réalisées entre 2019 et 2023. Cette série homogène permet, pour la première fois, de suivre la rotation d’un disque protoplanétaire sur près de quatre ans et d’observer l’évolution de ses différentes structures avec une précision inédite (cf. Figure 2). Ce suivi a permis de mettre en évidence plusieurs résultats inédits.
Tout d’abord, les scientifiques ont étudié la rotation du disque autour de l’étoile et ont constaté que la région interne ne tourne pas comme le prédisent les modèles actuels. Les auteurs suggèrent que ce comportement pourrait s’expliquer par l’interaction de plusieurs protoplanètes évoluant sur des orbites elliptiques inclinées par rapport au plan du disque.
Le deuxième résultat concerne les trois structures compactes brillantes (f1, f2 et f3), candidates à des protoplanètes (cf. Figure 1). L’étude montre que leurs trajectoires sont inclinées de plusieurs dizaines de degrés par rapport au plan du disque, un comportement compatible avec des objets en formation. Toutefois, les observations ne permettent pas encore de déterminer s’il s’agit de véritables protoplanètes ou de simples concentrations de gaz et de poussières. Quant à la candidate AB Aur b, l’observation dans la raie Hα ne confirme pas l’émission attendue, remettant en question son interprétation initiale.
Enfin, les images ont révélé sept fines ombres radiales balayant rapidement la surface du disque (cf. Figures 2 et 3). Comme les ombres projetées par des nuages au coucher du Soleil, elles trahissent la présence de structures opaques, trop petites pour être directement imagées. En suivant leur déplacement d’une observation à l’autre, il est toutefois possible d’en estimer la position, certaines étant cohérentes avec des structures telles que f1 (cf. Figure 3). Ces ombres pourraient être produites par des protoplanètes, mais aussi par des amas opaques de poussières, sans qu’il soit encore possible de trancher.
La quête continue
L’ensemble des résultats obtenus dans cette dernière étude dessine un scénario plus complexe que celui envisagé jusqu’à présent : plutôt qu’une unique planète sculptant le disque, plusieurs objets en formation pourraient interagir simultanément avec le gaz et les poussières.
La recherche de protoplanètes autour d’AB Aurigae se poursuit. Pour aller plus loin, l’équipe scientifique a d’ores et déjà obtenu deux nuits d’observation sur chacun des deux plus grands télescopes optiques de l’hémisphère Nord : le télescope Keck et le télescope Subaru, tous deux situés à Hawaï. Ces nouvelles observations, réalisées dans le proche infrarouge avec Keck (bande L) et dans le visible ainsi que le proche infrarouge avec Subaru, devraient permettre de mieux contraindre les différentes hypothèses et, peut-être, de lever enfin le voile sur les mystérieuses structures qui entourent AB Aurigae.
