L'instrument GRAVITY innove dans le domaine de l'imagerie exoplanétaire
Publié par Adrien le 28/03/2019 à 08:00
Source: ESO
L'instrument GRAVITY qui équipe l'Interféromètre du Very Large Telescope (VLTI) de l'ESO a effectué la première observation directe d'une exoplanète au moyen de l'interférométrie optique. Cette technique a révélé l'existence d'une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) exoplanétaire complexe composée de nuages de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages....) et de silicates emportés dans une tempête (Une tempête est un phénomène météorologique violent à large échelle dite synoptique, avec un diamètre compris en général entre 200 à 1 000 km, caractérisé par des vents rapides...) à l'échelle planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés sont animés soit manuellement,...). Cette technique offre des possibilités uniques de caractériser nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'exoplanètes connues à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel....).


Ce résultat a été annoncé ce jour par la collaboration GRAVITY (1) au travers de la publication d'une lettre au sein de la revue Astronomy and Astrophysics. Y sont présentées les observations de l'exoplanète (Une exoplanète, ou planète extrasolaire, est une planète orbitant autour d'une étoile autre que le Soleil. La plupart des exoplanètes découvertes à ce jour orbitent autour d'étoiles situées à...) HR8799e effectuées au moyen de l'interférométrie (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences intervenant entre plusieurs ondes cohérentes entre elles.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Cette exoplanète fut découverte en 2010 en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) de la jeune étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) HR8799 de la séquence principale, distante de quelque 129 années lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive...) et nichée au coeur de la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation les relie par des...) de Pégase.

Ce résultat dévoile de nouvelles caractéristiques de HR8799e. Son obtention a requis l'utilisation d'un instrument doté d'une résolution et d'une sensibilité particulièrement élevées. GRAVITY peut utiliser les quatre unités télescopiques du VLT de l'ESO, les combiner afin de constituer un télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant « regarder, voir »), est un instrument d'optique permettant d'augmenter la luminosité ainsi que la taille apparente des...) unique de dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) plus étendues selon une technique baptisée interférométrie (2). S'ensuit la création d'un super-télescope - le VLTI - capable de collecter la lumière en provenance de l'atmosphère de HR8799e et de précisément la discerner de la lumière issue de son étoile hôte.

HR8799e est un super-Jupiter, soit un monde (Le mot monde peut désigner :) bien différent de ceux qui composent notre Système Solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis gravitant autour de lui (autrement dit, notre système planétaire) :...), bien plus massif (Le mot massif peut être employé comme :) et plus jeune que les planètes qui orbitent autour du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...). Agée de 30 millions d'années seulement, cette exoplanète est suffisamment jeune pour offrir aux scientifiques une fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) sur la formation des planètes et des systèmes planétaires. Cette exoplanète est particulièrement inhospitalière - l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) résiduelle issue de sa formation et un puissant effet de serre (L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles (dans le...) portent la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) de HR8799e à quelque 1000 °C en effet.

C'est la toute première fois que l'interférométrie optique est utilisée pour discerner les détails d'une exoplanète. Cette nouvelle technique a permis d'obtenir un spectre d'une qualité inégalée, dix fois plus détaillé que toutes les observations antérieures. Les mesures effectuées par l'équipe ont révélé la composition de l'atmosphère de HR 8799e - quelques surprises furent au rendez-vous.

“Notre analyse a montré que HR8799e est dotée d'une atmosphère composée d'une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la molécule est composée d'un atome de carbone...) nettement supérieure à celle de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la famille des alcanes. C'est un gaz que l'on trouve à l'état naturel et qui est produit par des organismes vivants. Il...) - ce qui surprend, connaissant la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) d'équilibre”, explique Sylvestre Lacour, chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des cartes pour la navigation. Il vient en...) - PSL et à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Max Planck dédié à la Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) Extraterrestre, par ailleurs leader de l'équipe. “Ce résultat surprenant peut s'expliquer par la présence, au sein de l'atmosphère, de puissants vents verticaux qui empêchent le monoxyde de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) de s'associer à l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) afin de donner du méthane.”

L'équipe a découvert que l'atmosphère était également composée de nuages de poussière de fer et de silicates. Ce résultat, combiné à l'excès de monoxyde de carbone, laisse à penser que l'atmosphère de HR8799e subit actuellement une énorme tempête particulièrement violente.

“Nos observations évoquent une boule de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...) illuminée de l'intérieur, des rayons de lumière chaude tourbillonnant au travers de zones orageuses constituées de nuages sombres” ajoute Lacour. “Des mouvement convectifs enserrent les nuages de particules de silicates et de fer, qui se disloquent et s'infiltrent en surface, sous la forme de pluies. En résulte l'image de l'atmosphère dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) d'une jeune exoplanète géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes...), subissant de complexes processus physico-chimiques.”

Ce résultat s'appuie sur la série d'impressionnantes découvertes effectuées par GRAVITY, parmi lesquelles figure l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête...), l'an passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le...), de gaz tourbillonnant à une vitesse (On distingue :) avoisinant 30% de la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant...) en périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite...) de l'horizon (Conceptuellement, l’horizon est la limite de ce que l'on peut observer, du fait de sa propre position ou situation. Ce concept simple se décline en physique,...) du trou noir (En astrophysique, un trou noir est un objet massif dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper (à...) massif de la Voie Lactée (La Voie lactée (appelée aussi « notre galaxie », ou parfois simplement « la Galaxie », avec une majuscule) est le nom de la...). Il ajoute une nouvelle méthode d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) des exoplanètes à l'arsenal de méthodes existantes dont disposent déjà les télescopes et les instruments de l'ESO - ouvrant ainsi la voie à de nombreuses autres découvertes impressionnantes (4).

Notes:

(1) L'instrument GRAVITY est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire...) d'une collaboration entre l'Institut Max Planck dédié à la Physique Extraterrestre (Allemagne), le LESIA à l'Observatoire de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne et de la Seine...) - PSL / CNRS / Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de Sorbonne, collège dédié à la...) Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) / Univ. Paris Diderot et l'IPAG de l'Université Grenoble Alpes / CNRS (France), l'Institut Max Planck dédié à l'Astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être confondue avec la...) (Allemagne), l'Université de Cologne (Allemagne), le CENTRA-Centre d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de...) et de Gravitation (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) (Portugal) et l'ESO.

(2) La technique de l'interférométrie permet aux astronomes de constituer un super-télescope à partir de plusieurs télescopes de dimensions réduites. Le VLTI de l'ESO est un télescope interférométrique résultant de la combinaison (Une combinaison peut être :) de deux à quatre Unités Télescopiques (UTs) du Very Large Telescope ou des quatre Télescopes Auxiliaires de plus petites dimensions. Chaque UT étant dotée d'un miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une...) primaire de 8,2 mètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le...), leur combinaison produit un télescope caractérisé par un pouvoir de résolution (En optique, le pouvoir de résolution d'un système optique désigne sa capacité à distinguer des détails fins. Il est défini comme la distance angulaire minimale entre deux...) 25 fois supérieur à celui d'une simple UT opérant seule.

(3) Les exoplanètes peuvent être observées au moyen de nombreuses méthodes différentes. Certaines sont indirectes, telle la méthode de la vitesse radiale utilisée par le chasseur d'exoplanètes HARPS de l'ESO, qui mesure l'effet de la gravitation d'une planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre hydrostatique,...) sur son étoile hôte. Les méthodes directes, telle la technique pionnière utilisée pour obtenir ce résultat, impliquent l'observation de la planète elle-même plutôt que celle de ses effets sur son étoile hôte.

(4) Parmi les récentes découvertes d'exoplanètes effectuées au moyen des télescopes de l'ESO figurent la détection, l'an passé, d'une super-Terre (Une super-Terre est une planète extrasolaire plus massive que la Terre, mais théoriquement moins massive qu'une géante gazeuse. Le terme de super-Terre est déterminé...) en orbite autour de l'étoile de Barnard (L'étoile de Barnard est une étoile de la constellation d'Ophiuchus, connue pour être l'astre possédant le mouvement propre le plus important relativement au Soleil (10,3" par an). Ce mouvement propre rapide a été...), l'étoile isolée la plus proche de notre Soleil, et la découverte par ALMA de jeunes planètes en orbite autour d'une jeune étoile, au moyen d'une toute nouvelle méthode de détection exoplanétaire.
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