L'instrument GRAVITY innove dans le domaine de l'imagerie exoplanétaire

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 exoplanétaire complexe composée de nuages de fer et de silicates emportés dans une tempête à l'échelle planétaire. Cette technique offre des possibilités uniques de caractériser nombre d'exoplanètes connues à ce jour.


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 HR8799e effectuées au moyen de l'interférométrie optique. Cette exoplanète fut découverte en 2010 en orbite autour de la jeune étoile HR8799 de la séquence principale, distante de quelque 129 années lumière de la Terre et nichée au coeur de la constellation 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 unique de dimensions 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 bien différent de ceux qui composent notre Système Solaire, bien plus massif et plus jeune que les planètes qui orbitent autour du Soleil. Agée de 30 millions d'années seulement, cette exoplanète est suffisamment jeune pour offrir aux scientifiques une fenêtre sur la formation des planètes et des systèmes planétaires. Cette exoplanète est particulièrement inhospitalière - l'énergie résiduelle issue de sa formation et un puissant effet de serre portent la température de surface 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 de monoxyde de carbone nettement supérieure à celle de méthane - ce qui surprend, connaissant la chimie d'équilibre”, explique Sylvestre Lacour, chercheur CNRS à l'Observatoire de Paris - PSL et à l'Institut Max Planck dédié à la Physique 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 de s'associer à l'hydrogène 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 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 d'une jeune exoplanète géante, 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'an passé, de gaz tourbillonnant à une vitesse avoisinant 30% de la vitesse de la lumière en périphérie de l'horizon du trou noir massif de la Voie Lactée. Il ajoute une nouvelle méthode d'observation 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 d'une collaboration entre l'Institut Max Planck dédié à la Physique Extraterrestre (Allemagne), le LESIA à l'Observatoire de Paris - PSL / CNRS / Sorbonne Université / Univ. Paris Diderot et l'IPAG de l'Université Grenoble Alpes / CNRS (France), l'Institut Max Planck dédié à l'Astronomie (Allemagne), l'Université de Cologne (Allemagne), le CENTRA-Centre d'Astrophysique et de Gravitation (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 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 primaire de 8,2 mètres de diamètre, leur combinaison produit un télescope caractérisé par un pouvoir de résolution 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 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 en orbite autour de l'étoile de Barnard, 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.