Autour d'un soleil en fin de vie, des astronomes ont découvert ce qui ressemble à un reste de planète. Une longue traînée de gaz s'étire du corps fumant le long de son orbite, très proche de la naine blanche. Comment expliquer que ce morceau résiste encore à son étoile ?

Les ruines encore fumantes d'un système planétaire ont été détectées par des astronomes. Cela ne se passe pas très loin de chez nous, à 410 années-lumière environ de la Terre, autour d'une étoile nommée SDSS J122859.93+104032.9. Enfin, de ce qu'il en reste car cet ancien soleil est maintenant une naine blanche, c'est-à-dire le reste du cœur d'une étoile, laquelle, en l'occurence, fut dans le passé deux fois plus massive que la nôtre.

Mais, avant de s'affaisser pour devenir cette boule ardente et très dense -- 70 % de la masse du Soleil comprimée dans une sphère de la taille de la Terre --, l'étoile était une géante rouge qui a bousculé tout ce qui était (et est encore) en orbite autour d'elle durant des milliards d'années. Maintenant, autour de SDSS J122859.93+104032.9, tout est fini ou presque. Certes, l'astre va encore briller longtemps mais autour de lui, c'est un champ de ruines. Un sort que connaîtra aussi notre Soleil, mais dans cinq ou six milliards d'années.

lllustration de la déchéance d’une planète autour de la naine blanche WD 1145+017. Les observations de Kepler en 2015 ont permis de détecter qu’un anneau de débris entoure l’étoile compacte. Un objet aussi gros qu’un astéroïde occulte jusqu’à 40 % de la lumière de l’étoile compacte toutes les 4,5 heures et s’accompagne d’une traînée de poussières. © CfA, Mark A. Garlick

S’agit-il du noyau d’une planète?

C'est en étudiant ces « cendres » avec un spectroscope au Gran Telescopio Canarias à La Palma, qu'une équipe d'astronomes a détecté ce qu'ils pensent être le reste d'une ancienne planète. Le fragment se signale par un long sillon de gaz dans le disque de débris riche en fer, en magnésium, en silicium et en oxygène (autant d'ingrédients que l'on retrouve dans les planètes rocheuses). Pour les astrophysiciens, soit cette traînée émane du résidu de la planète « en flamme », soit de sa collision avec de petits fragments sur son orbite.

Selon leurs recherches, le planétésimal pourrait être aussi gros que Vesta ou Cérès, les deux plus gros corps de la ceinture d'astéroïdes (sa taille minimum serait de un kilomètre et, au maximum, de quelques centaines de kilomètres).

Ils ont découvert que l'objet ne met que deux heures pour faire le tour de son étoile résiduelle. Autrement dit, si cette dernière avait encore sa taille normale (l'essentiel du temps de sa longue vie), cette parcelle de planète graviterait à l'intérieur. Brinquebalé dans le chaos du système planétaire, bombardé sans cesse de débris, ce monde en lambeau, torturé par de puissantes forces gravitationnelles, poursuit sa descente en enfer vers le cœur brûlant de la naine blanche.

Vers plus de découvertes de planètes en lambeaux

« [Le planétésimal est] beaucoup plus proche que ce nous espérerions trouver, s'étonne Boris Gaensicke, du Département de physique de l'université de Warwick. Cela n'est possible que parce qu'il doit être très dense ou susceptible d'avoir une grande résistance interne qui le maintient, nous proposons donc qu'il soit composé principalement de fer et de nickel ». Pour lui et ses collègues qui ont mené l'étude publiée dans la revue Science, il est probable, sur la base de simulations, que ce qu'ils ont sous les yeux alors est le noyau (ou une fraction du noyau) d'une petite planète.

C'est la deuxième fois que les astronomes assistent à la mort d'une planète tout près d'une naine blanche. La première fois, le reliquat avait été observé directement, alors que le nuage de débris passait devant l'étoile. Mais, grâce à cette méthode spectroscopique « qu'ils ont développée », les chercheurs n'ont plus besoin d'espérer que la naine blanche et ses débris soient alignés avec la Terre et ainsi, ils pourront multiplier les découvertes.

Ce qu'il faut retenir Dans le disque de débris autour de la naine blanche SDSS J122859.93+104032.9, des astronomes ont détecté une trainée de gaz.

Des traces du reste d'une planète ont été observées. Celle-ci serait liée à la trainée de gaz.

GD 61 semble avoir aussi avoir eu des planètes, et en a peut-être encore.

Pour en savoir plus

Hubble observe des restes de planètes autour d'une naine blanche

Article de Xavier Demeersman publié le premier septembre 2018

Cette étoile était autrefois plus grande et brillante que le Soleil. Pour les astronomes, il semble qu'elle n'était pas seule : des planètes gravitaient probablement (et gravitent peut-être encore) autour d'elle. C'est ce que suggère la nuée de débris détectée autour du reste, très compact, de son cœur. Une naine blanche « polluée », comme le deviendra le Soleil.

Lointaines et la plupart du temps hors d'atteinte pour nos télescopes, les exoplanètes rocheuses potentiellement habitables que nous connaissons gardent encore leurs secrets sur leur composition. Évidemment, les astronomes rêvent - et nous avec eux - d'observer directement l'atmosphère et la surface de ces autres mondes. Pour l'instant, à défaut de pouvoir s'y rendre, comment peut-on faire ? Pour les chercheurs, c'est assez simple : « le seul moyen possible de voir de quoi est faite une planète lointaine est de la démonter », explique Jay Farihi, principal auteur d'une étude publiée dans Science sur la caractérisation d'un disque de débris autour d'une naine blanche. Et « la nature le fait pour nous en utilisant les puissantes forces de marée gravitationnelles des naines blanches », précise le chercheur à l'université de Cambridge.

C'est ce qui s'est passé autour de GD 61. Au cours de sa vie de seulement 1,5 milliard d'années environ, cette étoile brillait plus que notre Soleil. Mais aujourd'hui, la fête est finie, elle est sur le déclin. Maintenant qu'elle a repoussé ses couches externes, il ne lui reste plus que son cœur encore brûlant et palpitant, appelé naine blanche. Et, visiblement, il est entouré d'un disque de débris.

Une naine blanche « polluée »

C'est ce que des chercheurs ont vu lors d'observations en 2008. L'abondance d'oxygène détectée alors avec le télescope spatial Fuse (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer) a montré que le reste d'étoile était pollué, là où ils s'attendaient plutôt à voir un astre seulement pétri d'hydrogène et d'hélium.

Des recherches menées dans l'infrarouge avec le télescope spatial Spitzer, trois ans plus tard, ont montré la présence d'un disque de matière entourant cet astre dense et brûlant. Pour les chercheurs, il est possible que cette matière tombe sur la naine blanche. Oui, mais quoi ?

Voulant en savoir plus sur ce qui se passe là-bas, à quelque 150 années-lumière de la Terre, Jay Farihi et deux confrères ont sollicité le célèbre Hubble pour une campagne d'observations dans l'ultraviolet cette fois - tout indiqué pour étudier avec précision le taux d'oxygène -, via l'instrument COS (Cosmic Origins Spectrograph). De GD 61 et aussi de 99 autres naines blanches, histoire de voir comment cela se passe ailleurs.

Des corps semblables à Cérès ont été détectés autour de la naine blanche GD 61. © Nasa, JPL-Caltech, UCLA, MPS, DLR, IDA, PSI

Des restes de planètes autour de la naine blanche

Pour eux, cet excès d'oxygène ne peut être lié qu'à des astéroïdes riches en eau, et non à des comètes. Car, en compilant leurs données avec celles d'une précédente enquête, ils ont inféré la présence de magnésium, de silicium, de fer et de peu, très peu de carbone. Comme ce dernier abonde dans les comètes, tandis que les autres sont les principaux ingrédients des roches, l'hypothèse la plus probable est donc que les corps parents de ces nuages de débris étaient des astéroïdes. Et des astéroïdes riches en eau, à hauteur de 26 %, comparables à ceux qui, en percutant la Terre primitive, il y a environ 4 milliards d'années, ont pu apporter l’eau en surface.

« Un système ne peut pas créer des choses aussi grosses que des astéroïdes et éviter de construire des planètes, fait remarquer Jay Farihi. Bien qu'il soit difficile de prédire exactement quels types de planètes auraient pu exister, nos résultats démontrent qu'il y avait un potentiel réel pour des planètes habitables dans ce système planétaire. Le système avait presque certainement (et peut-être encore) des planètes. Il avait les ingrédients pour apporter beaucoup d'eau à leurs surfaces. »

Ce serait donc des restes de ce sytème qui s'était constitué autour de l'étoile. Puis, la mue de l'étoile-mère, voici plusieurs dizaines de millions d'années, fut le début de la fin pour les planètes. Ensuite, l'énorme densité de la naine blanche acheva de les briser en morceaux. Quoique... Les chercheurs se demandent si des planètes n'auraient pas survécu au cataclysme. En se référant aux lacunes de Kirkwood, ils avancent que cela pourrait être elle(s) qui causent la chute d'une partie de ces débris sur le reste d'étoile.

Et quid des 99 autres naines blanches scrutées ? Les chercheurs n'ont pas encore terminé leur collecte d'informations mais ils dégagent une tendance, en estimant pour l'instant qu'au moins 20 % d'entre elles seraient aussi « polluées » que GD 61. Voire peut-être 50 %. Cela pourrait donc être assez commun.

Ce qui se passe autour de GD 61 est le reflet de ce qui attend notre Système solaire dans un peu plus de 5 milliards d'années.

Des astéroïdes riches en eau existaient autour d'une naine blanche

Article de Laurent Sacco publié 13 ocotbre 2013

Il y a moins de 200 millions d'années, un corps céleste, peut-être de la taille de Vesta, mais dont la composition chimique rappelle celle de la planète naine Cérès, devait exister autour de la naine blanche GD 61. Ce corps rocheux devait être riche en eau, d'après les observations de ses restes dans l'atmosphère de l'étoile. C'est la première fois que l'on a la preuve de l'existence d'un tel objet autour d'une autre étoile que le Soleil.

Dans environ sept milliards d'années, notre Soleil deviendra une géante rouge, puis il se transformera en naine blanche. À quoi ressemblera alors notre Système solaire ? Mercure et Vénus n'existeront plus, car elles auront été vaporisées par les couches supérieures du Soleil qui se seront dilatées temporairement jusqu'à englober, peut-être, la Terre. Mars et les planètes au-delà seront encore là, mais sous quels aspects ?

Il est possible de s'en faire une idée en tentant de détecter des exoplanètes autour de naines blanches : on en a effectivement trouvées qui ont dû survivre à l'enfer des phases géante rouge d'étoiles. On les a baptisées planètes chthoniennes. Dans le cas de la naine blanche GD 61, située à presque 170 années-lumière du Soleil, nulle exoplanète n'a encore été trouvée. Mais comme l'explique un article publié par un groupe d'astrophysiciens dans Science, on vient d'y faire une découverte étonnante. Elle est le fruit d'observations menées avec les télescopes Hubble, et ceux du W. M. Keck Observatory au somment du Mauna Kea, à Hawaï. Elles concernaient l'analyse spectrographique de la composition chimique de l'atmosphère de la naine blanche.

Une atmosphère stellaire anormale pour une naine blanche

Déjà en 2008, les instruments du satellite Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (Fuse) avaient permis de détecter une abondance anormalement élevée d'oxygène dans l'atmosphère de cette naine blanche. L'astre compact lui-même doit provenir d'une étoile de type A ayant épuisé son carburant nucléaire en seulement 1,5 milliard d'années. Depuis environ 200 millions d'années, c'est un astre qui ne survit que grâce à la pression de dégénérescence relativiste de ses électrons.

La sonde Dawn de la Nasa a obtenu cette image de l'astéroïde Vesta le 24 juillet 2011. Elle a été prise à une distance d'environ 5.200 km. La prochaine étape de l'itinéraire de la sonde sera une rencontre avec la planète naine Cérès. © Nasa, JPL

L'anomalie dans la composition chimique de son atmosphère ne pouvait signifier qu'une chose. La chute de matériaux, sous forme de comètes ou d'astéroïdes par exemple, sur la surface de l'étoile. De fait, en 2011, Spitzer a permis de découvrir un disque de débris autour de GD 61, contaminant effectivement son atmosphère.

Les astrophysiciens ont cherché à en savoir plus sur la composition chimique de cette atmosphère, car des mesures précises d'autres anomalies devaient permettre de déduire la nature des débris capturés par la naine blanche. Ils ont pour cela mobilisé, entre autres, l'instrument Cosmic Origins Spectrograph (COS) de Hubble. Les données obtenues ont ensuite alimenté un modèle informatique de l'atmosphère de la naine blanche. En plus de mieux connaître les abondances de l'oxygène, de l'hydrogène et du carbone, on y a détecté du magnésium, du silicium et du fer, dont divers oxydes peuvent former les minéraux des roches.

Des planétésimaux extrasolaires riches en eau

À la grande surprise des chercheurs, les abondances mesurées confirmaient non seulement que de la matière appartenant à des corps initialement rocheux se retrouvait dans l'atmosphère de GD 61, mais qu'elle devait provenir d'un corps céleste d'au moins 90 km de diamètre, peut-être même de la taille de Vesta, composé à 26 % d'eau (pour mémoire la Terre n'en contient que 0,023 %). Cette composition fait penser à celle estimée de Cérès, dans le Système solaire.

On a des raisons de soupçonner qu'une planète, encore non détectée autour de GD 61, aurait exercé des perturbations gravitationnelles sur ce petit corps il y a moins de 200 millions d'années, le conduisant à s'approcher trop près de la naine blanche. Ses forces de marée l'auraient alors mis en pièces, et la matière résultante serait tombée dans l'atmosphère de l'étoile.

Ce qui est sûr, c'est que ce résultat est particulièrement important pour l'exobiologie. On avait déjà repéré la présence d'eau dans l'atmosphère d'exoplanètes, mais il s'agissait de géantes gazeuses. Ici, nous avons la preuve que de grands planétésimaux rocheux riches en eau, tout comme ceux de notre Système solaire, existent bel et bien autour d'autres étoiles. Ils peuvent donc servir à apporter de l'eau sur une planète similaire à la Terre et rendre l'apparition de la vie possible.