Grâce à la nouvelle caméra puissante à contraste élevé installée sur le très grand télescope, des photos ont été obtenues d'un compagnon de faible masse très proche d'une étoile. Cela a permis aux astronomes de mesurer directement la masse d'un jeune objet de très faible masse pour la première fois.
L'objet, plus de 100 fois plus faible que son étoile hôte, est toujours 93 fois plus massif que Jupiter. Et il semble être presque deux fois plus lourd que la théorie ne le prévoit.
Cette découverte suggère donc qu'en raison d'erreurs dans les modèles, les astronomes pourraient avoir surestimé le nombre de jeunes «naines brunes» et de «planètes extrasolaires flottantes».
Une combinaison gagnante
Une étoile peut être caractérisée par de nombreux paramètres. Mais l'une est de la plus haute importance: sa masse. C'est la masse d'une étoile qui décidera de son sort. Il n'est donc pas surprenant que les astronomes souhaitent obtenir une mesure précise de ce paramètre.
Ce n'est cependant pas une tâche facile, surtout pour les moins massifs, ceux à la frontière entre les étoiles et les objets nains bruns. Les naines brunes, ou «étoiles ratées», sont des objets jusqu'à 75 fois plus massifs que Jupiter, trop petits pour que les principaux processus de fusion nucléaire se soient enflammés à l'intérieur.
Pour déterminer la masse d'une étoile, les astronomes observent généralement le mouvement des étoiles dans un système binaire. Ensuite, appliquez la même méthode qui permet de déterminer la masse de la Terre, en connaissant la distance de la Lune et le temps qu'il faut à son satellite pour effectuer une orbite complète (la soi-disant «troisième loi de Kepler»). De la même manière, ils ont également mesuré la masse du Soleil en connaissant la distance Terre-Soleil et le temps - un an - qu'il faut à notre planète pour faire le tour du Soleil.
Le problème avec les objets de faible masse est qu'ils sont très faibles et seront souvent cachés dans l'éclat de l'étoile plus brillante qu'ils orbitent, également lorsqu'ils sont vus dans de grands télescopes.
Les astronomes ont cependant trouvé des moyens de surmonter cette difficulté. Pour cela, ils s'appuient sur une combinaison d'une stratégie d'observation bien pensée avec des instruments de pointe.
Caméra à contraste élevé
Tout d'abord, les astronomes à la recherche d'objets de très faible masse regardent les jeunes étoiles proches car les objets compagnons de faible masse seront plus brillants pendant leur jeunesse, avant de se contracter et de se refroidir.
Dans ce cas particulier, une équipe internationale d'astronomes [1] dirigée par Laird Close (Steward Observatory, University of Arizona), a étudié l'étoile AB Doradus A (AB Dor A). Cette étoile est située à environ 48 années-lumière et n'a «que» 50 millions d'années. Parce que la position dans le ciel d'AB Dor A "vacille", en raison de l'attraction gravitationnelle d'un objet en forme d'étoile, on pensait depuis le début des années 1990 qu'AB Dor A devait avoir un compagnon de faible masse.
Pour photographier ce compagnon et obtenir un ensemble complet de données à ce sujet, Close et ses collègues ont utilisé un nouvel instrument sur le très grand télescope de l’Observatoire austral européen. Cette nouvelle caméra optique adaptative à contraste élevé, l'imageur différentiel simultané NACO, ou NACO SDI [2], a été spécifiquement développée par Laird Close et Rainer Lenzen (Max-Planck-Institute for Astronomy à Heidelberg, Allemagne) pour la chasse de planètes extrasolaires. La caméra SDI améliore la capacité du VLT et de son système d'optique adaptative à détecter les compagnons faibles qui seraient normalement perdus dans l'éblouissement de l'étoile principale.
Une première mondiale
En tournant cet appareil photo vers AB Dor A en février 2004, ils ont pu pour la première fois imaginer un compagnon si faible - 120 fois plus faible que son étoile - et si près de son étoile.
Selon Markus Hartung (ESO), membre de l'équipe: «Cette première mondiale n'a été possible qu'en raison des capacités uniques de l'instrument NACO SDI sur le VLT. En fait, le télescope spatial Hubble a essayé mais n'a pas réussi à détecter le compagnon, car il était trop faible et trop proche de l'éclat de l'étoile principale. »
La petite distance entre l'étoile et le faible compagnon (0,156 secondes d'arc) est la même que la largeur d'une pièce d'un euro (2,3 cm) lorsqu'elle est vue à 20 km. Le compagnon, appelé AB Dor C, a été vu à une distance de 2,3 fois la distance moyenne entre la Terre et le Soleil. Il achève un cycle autour de son étoile hôte en 11,75 ans sur une orbite plutôt excentrique.
En utilisant la position exacte du compagnon, ainsi que le «vacillement» connu de l'étoile, les astronomes pouvaient alors déterminer avec précision la masse du compagnon. L'objet, plus de 100 fois plus faible que son étoile primaire proche, a un dixième de la masse de son étoile hôte, c'est-à-dire qu'il est 93 fois plus massif que Jupiter. Il est ainsi légèrement au-dessus de la limite des naines brunes.
En utilisant NACO sur le VLT, les astronomes ont en outre observé AB Dor C à des longueurs d'onde proche infrarouge pour mesurer sa température et sa luminosité.
"Nous avons été surpris de constater que le compagnon était 400 degrés (Celsius) plus frais et 2,5 fois plus faible que les modèles les plus récents prédisent pour un objet de cette masse", a déclaré Close.
«La théorie prédit que cet objet frais de faible masse serait d'environ 50 masses Jupiter. Mais la théorie est incorrecte: cet objet se situe en effet entre 88 et 98 masses Jupiter. »
Ces nouvelles découvertes remettent donc en cause les idées actuelles sur la population de naines brunes et l'existence possible de planètes extrasolaires «flottantes» largement diffusées.
En effet, si les jeunes objets jusqu'ici identifiés comme des naines brunes sont deux fois plus massifs qu'on ne le pensait, beaucoup doivent plutôt être des étoiles de faible masse. Et les objets récemment identifiés comme des planètes «flottantes» sont à leur tour susceptibles d'être des naines brunes de faible masse.
Pour Close et ses collègues, «cette découverte obligera les astronomes à repenser ce que sont réellement les masses des plus petits objets produits dans la nature».
Plus d'information
Les travaux présentés ici apparaissent sous forme de lettre dans le numéro du 20 janvier de Nature («Un étalonnage dynamique de la relation masse-luminosité à des masses stellaires très faibles et à de jeunes âges» par L. Close et al.).
Remarques
[1]: L'équipe est composée de Laird M. Close, Eric Nielsen, Eric E. Mamajek et Beth Biller (Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, USA), Rainer Lenzen et Wolfgang Brandner (Max-Planck Institut for Astronomie, Heidelberg, Allemagne), Jose C. Guirado (Université de Valence, Espagne), et Markus Hartung et Chris Lidman (ESO-Chili).
[2]: La caméra NACO SDI est un type unique de caméra utilisant une optique adaptative, qui supprime les effets de flou de l'atmosphère terrestre pour produire des images extrêmement nettes. SDI sépare la lumière d'une seule étoile en quatre images identiques, puis passe les faisceaux résultants à travers quatre filtres légèrement différents (sensibles au méthane). Lorsque les faisceaux lumineux filtrés frappent le réseau de détecteurs de la caméra, les astronomes peuvent soustraire les images afin que l'étoile brillante disparaisse, révélant un objet plus faible et plus froid autrement caché dans le halo de lumière diffusée de l'étoile («éblouissement»). Des images uniques du satellite de Saturne Titan obtenues précédemment avec NACO SDI ont été publiées dans ESO PR 09/04.
Source d'origine: communiqué de presse de l'ESO
