LA PREMIÈRE EXOLUNE ?
Une équipe internationale d'astronomes, dont des chercheurs de l'IAP, se demande si elle n'a pas observé grâce à la méthode des microlentilles gravitationnelles, une planète gazeuse et sa lune errant dans notre galaxie
à 2000 années-lumière de la Terre...
Ces 20 dernières années ont vu la découverte d'un zoo de près de 2000 planètes en orbite autour d'autres étoiles que notre Soleil. Les astronomes sont allés de surprise en surprise, avec des planètes gazeuses, des planètes telluriques plus massives que la Terre, connues sous le nom de super-Terre, des Neptunes, des mini Neptunes, des planètes très proches de leur étoile et extrêmement chaudes, d'autres sur des orbites lointaines et très froides. Il existe aussi une population de planètes gazeuses errantes, sans compagnon stellaire. À la lueur des observations de notre système solaire, cette diversité observée dépasse de très loin ce qui avait été envisagé dans les scénarios des astronomes !
Notre système solaire possède cependant une spécificité qui n'a pas été encore observée à ce jour : la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, et Neptune ont des satellites naturels, des lunes. Qu'en est-il des exoplanètes ? Ont-elles des lunes ? Pourquoi s'y intéresser ? Dans certaines configurations, les conditions pourraient être plus propices à l'émergence de la vie à la surface des satellites que sur les planètes elles-mêmes (en particulier si ces planètes sont des géantes gazeuses). Deux méthodes sont utilisées aujourd'hui pour les traquer : dans un système où une planète passe en transit devant son étoile hôte, des petites perturbations sur le transit peuvent trahir la présence d'une lune. Plusieurs groupes ont adopté cette approche avec les données du satellite Kepler, mais aucune exolune n'a été découverte jusqu'à ce jour par cette approche. Une autre méthode est l'utilisation des effets de lentille gravitationnelle. Un couple planète-lune passe près de la ligne de visée d'une étoile très lointaine et va provoquer une amplification apparente de son flux lumineux. Cette méthode a été utilisée avec succès depuis plus d'une décennie pour chercher des planètes froides. Parmi ses résultats marquants, l'équipe PLANET avait déjà permis la découverte de la première super-Terre froide en 2006 (Beaulieu et al., 2006, Nature), et de montrer en 2012, qu'avoir une planète est la règle et non pas l'exception pour les étoiles de notre galaxie, la Voie Lactée (Cassan et al., 2012, Nature).
Effet de lentille gravitationnelle. Les rayons lumineux d'une étoile très lointaine, par exemple dans le centre de notre galaxie, sont déviés par un corps massif (étoile, planète), proche de la ligne de visée. On observe une amplification du flux de l'étoile au cours du temps. Si la lentille est composée de deux corps massifs, il est possible de les détecter tous les deux dans des conditions privilégiées.
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MOA-2011-BLG-262Lb est le premier candidat exolune découvert. Il l'a été par la méthode des microlentilles gravitationnelles. Ce système composé de deux objets a été découvert en juin 2011 par les collaborations microlentilles PLANET (Probing Lensing Anomalies NETwork), et MOA (Microlensing Observation in Astrophysics). Ces résultats sont publiés le 10 avril 2014 par une équipe menée par David Bennett (University of Notre Dame, Indiana, États-Unis) et Virginie Batista (Institut d'astrophysique de Paris CNRS-UPMC, DIM ACAV).
Les observations : en juin 2011, la microlentille MOA-2011-BLG-262 fut observée simultanément par deux télescopes de la collaboration MOA en Nouvelle Zélande et un télescope de la collaboration PLANET à Hobart en Tasmanie, au sud de l'Australie. Ces 3 télescopes ont enregistré pendant 75 minutes une perturbation trahissant la présence d'un petit compagnon en orbite autour d'un corps plus massif. D'autres télescopes au Chili (aux observatoires de Paranal, Las Campanas, et Cerro Tololo), mais aussi le télescope KECK à Hawaii ont obtenu des données complémentaires.
L'étude est très délicate, car il reste deux scénarios possibles : le système serait composé d'une planète massive d'environ 4 fois la masse de Jupiter avec un petit satellite de 0.5 masse terrestre en orbite. Ce système serait situé à 600 parsec (2000 années-lumière) de notre système solaire et aurait la particularité d'être dépourvu d'étoile hôte, un couple errant planète-lune. Ce type de couple peut avoir été éjecté d'un système autour d'une étoile hôte, ou alors formé sans présence d'étoile dans un nuage moléculaire.
Nous sommes dans une rare situation où il est possible d'expliquer les observations avec un tout autre scénario (légèrement défavorisé par les modèles) : celui d'une étoile de très faible masse de 0.12 masse solaire, avec en orbite une planète de 18 masses terrestres. Ce système serait situé dans le bulbe galactique à environ 7 kiloparsec (23000 années-lumière), et serait animé d'une très grande vitesse.
Les deux solutions sont deux systèmes extraordinaires, mais à ce jour, il n'est pas possible de conclure de manière certaine, donc les deux interprétations sont présentées dans l'article publié le 10 avril 2014 par Astrophysical Journal.
Cette figure montre notre galaxie, vue du dessus. Le soleil et le système solaire sont indiqués par la flèche noire. Le panneau de gauche montre le premier scénario, une planète gazeuse avec son exolune dans la banlieue du système solaire (2000 années-lumière de distance). Le panneau de droite montre le deuxième scénario, un système composé d'une étoile de faible masse et d'une planète de type Neptune à presque 23 000 années-lumière. Ce système serait animé d'une grande vitesse relative dans notre galaxie.
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Les lunes de masse inférieure à celle de la Terre en orbite autour de planètes géantes gazeuses comme Jupiter, sont détectables par effet de microlentille gravitationnelle. Si ces systèmes sont courants, nous en découvrirons d'autres dans les années à venir. Il sera aussi alors possible de les confirmer sans ambiguïté. En particulier, l'observation simultanée depuis plusieurs sites peut traduire de subtiles différences dans l'alignement observateur-lentille/étoile-source qui permettront de conclure de manière définitive.
Ce travail réunit une soixantaine de chercheurs français, américains, japonais, néo-zélandais, australiens, anglais, allemands, utilisant des télescopes en Australie, Nouvelle Zélande, Chili et Hawaii. Les travaux des Francais de l'équipe ont été réalisés dans le cadre du DIM ACAV financé par la Région Île-de-France, avec le soutien du Programme National de Planétologie de l'INSU-CNRS, de l'Institut d'astrophysique de Paris (Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'UPMC), de l'Ohio State University, de la NASA et de la NSF. Le réseau de télescopes PLANET était en partie financé dans la période 2007-2011 par l'Agence Nationale de la Recherche, ANR HOLMES.
Équipe française : Virginie Batista, Jean-Philippe Beaulieu, Arnaud Cassan, Christian Coutures, Jean-Baptiste Marquette (Institut d'astrophysique de Paris), Etienne Bachelet, Pascal Fouqué (IRAP, Toulouse).
Article scientifique publié le 10 avril 2014 : Bennett D.P., Batista V., Bond I.A., Bennett C.S., Suzuki D., Beaulieu J.P., Udalski A., Donatowicz J., Abe F., et al., 2014, "A Sub-Earth-Mass Moon Orbiting a Gas Giant Primary or a High Velocity Planetary System in the Galactic Bulge", Astrophysical Journal, astroph
Collaborations, observatoires, télescopes : PLANET, OGLE, MOA, KECK, ESO, Vista telescope, DIM ACAV, Programme National de Planétologie.
Deux des télescopes impliqués :
Le télescope de 1m Canopus de l'université de Tasmanie à Hobart, en Australie
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Le télescope de 10m KECK sur le Mauna Kéa à Hawaii, aux États-Unis
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Deux figures de l'article scientifique :
La courbe de lumière de la microlentille MOA-2011-BLG-262 avec des données des deux télescopes de Nouvelle-Zélande (MOA 1.8m en rouge, Mt. John University Obs. en vert et cyan), le télescope Canopus de Hobart en bleu, les telescopes du Chili (CTIO en magenta, OGLE en noir)
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Carte de champ. A gauche les observations avec le 4m Vista de l'ESO, puis deux zooms consécutifs avec le télescope KECK sur l'étoile source (S1) de la microlentille. Le panneau de droite montre un zoom sur l'étoile source et les étoiles voisines.
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Contacts :
Virginie Batista
Institut d'astrophysique de Paris-CNRS-UPMC
batista à iap.fr
Tél. : 33-1-4432-8034
(anciennement chercheuse à l'Ohio State University, États-Unis, actuellement à l'Institut d'astrophysique de Paris-CNRS UPMC, financée par le DIM ACAV et la région Ile de France)
Jean-Philippe Beaulieu
Institut d'astrophysique de Paris-CNRS-UPMC
beaulieu à iap.fr
Tél. : 33-1-4432-8119
(directeur de recherche à l'Institut d'astrophysique de Paris-CNRS UPMC)
Un film de 4min 30 est également disponible sur YouTube.
avril 2014