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Le VLTI détecte une lumière exozodiacale

C’est en exploitant toute la puissance de l’Interféromètre du Très Grand Télescope qu’une équipe internationale d’astronomes, impliquant notamment des chercheurs de l’IPAG, est parvenue à détecter la lumière exozodiacale à proximité des zones habitables qui entourent neuf étoiles proches. Cette lumière n’est autre que la lumière émise par l’étoile, puis réfléchie par la poussière résultant, d’une part de collisions entre astéroïdes, d’autre part de l’évaporation de comètes. L’existence de telles quantités de poussière dans l’environnement immédiat de certaines étoiles est susceptible de constituer un obstacle à l’imagerie directe de planètes de type Terre dans le futur.

L’équipe d’astronomes a observé, au moyen de l’Interféromètre du Très Grand Télescope (VLTI), 92 étoiles voisines de notre Soleil dans le proche infrarouge [1], afin de détecter la lumière exozodiacale diffusée par la poussière chaude située non loin de leurs zones habitables respectives. Puis, ils ont combiné ces nouvelles données avec celles issues d’observations antérieures [2]. L’intense lumière exozodiacale générée par les grains lumineux de la chaude poussière exozodiacale, ou par la réflexion de la lumière stellaire par ces grains, a été observée autour de neuf des étoiles ciblées.

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Cette vue d’artiste d’une planète imaginaire en orbite autour d’une étoile proche montre l’intense lueur de la lumière exozodiacale emplissant le ciel et masquant en partie la Voie Lactée
Cette lumière n’est autre en réalité que la lumière stellaire réfléchie par de la poussière chaude résultant, d’une part de collisions entre astéroïdes, d’autre part de l’évaporation de comètes. L’existence de ces épais nuages de poussière à proximité de certaines étoiles est susceptible de constituer un obstacle à l’imagerie directe de planètes de type Terre dans le futur. © ESO/L. Calçada

Sur Terre, en des sites dénués de toute pollution lumineuse, la lumière zodiacale s’apparente à une faible lueur diffuse de couleur blanche observable par nuit noire, après la fin du crépuscule ou avant l’aube. Elle résulte de la réflexion de la lumière du Soleil par de minuscules particules et semble issue de l’environnement proche du Soleil. Cette lumière réfléchie peut être aperçue depuis la surface de la Terre, ainsi que de tout autre lieu du Système Solaire.

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Lumière zodiacale au dessus de La Silla
© ESO/Y. Beletsky

La lueur observée dans le cadre de cette nouvelle étude constitue une version bien plus extrême de ce même phénomène. Cette lumière exozodiacale – ou lumière zodiacale diffusée au cœur d’autres systèmes solaires – avait fait l’objet d’observations antérieures. Toutefois, cette étude constitue la toute première étude systématique de ce phénomène autour d’étoiles proches.

A la différence des observations antérieures, l’équipe n’a pas observé la poussière potentiellement constitutive de futures planètes, mais la poussière résultant de collisions entre planètes naines dont le diamètre n’excède pas les quelques kilomètres – ces objets, baptisés planétésimaux, ressemblent aux astéroïdes et aux comètes du Système Solaire. Ce type de poussière est également à l’origine de la lumière zodiacale qui emplit le Système Solaire.

« Si nous voulons étudier l’évolution des planètes de type Terre à proximité de la zone habitable, nous devons observer la poussière zodiacale présente dans cette région qui entoure d’autres étoiles » nous confie Steve Ertel, auteur principal de l’article, affilié à l’ESO ainsi qu’à l’Université de Grenoble en France. « Détecter et caractériser ce type de poussière autour d’autres étoiles constitue un moyen d’étudier l’architecture et l’évolution des systèmes planétaires ».

Détecter la présence de poussière faiblement lumineuse à proximité d’une étoile centrale très brillante requiert de disposer d’outils d’observation dotés d’une résolution et d’un contraste élevés. L’interférométrie – qui repose sur la combinaison de faisceaux de lumière collectés simultanément par plusieurs télescopes – dans le domaine infrarouge constitue, à l’heure actuelle, la seule technique permettant de découvrir et d’étudier ce type de système.

En utilisant toute la puissance du VLTI et en poussant l’instrument à ses limites en termes de précision et d’efficacité, l’équipe a été capable d’atteindre un niveau de performance dix fois plus élevé environ que celui caractérisant les autres instruments disponibles dans le monde.

Pour chaque étoile, l’équipe a utilisé les télescopes auxiliaires d’1,8 mètre de diamètre reliés au VLTI. Lorsqu’une intense lumière zodiacale était détectée, ils sont parvenus à résoudre complètement les disques de poussière étendus, et à séparer leur faible lueur de l’éclat dominant de l’étoile [3].

L’analyse des propriétés des étoiles entourées d’un disque de poussière exozodiacale a permis à l’équipe de découvrir que la poussière était principalement détectée autour des étoiles les plus âgées. Ce résultat pour le moins surprenant soulève un certain nombre de questions relatives à notre compréhension des systèmes planétaires. En théorie en effet, la production de poussière à partir de collisions entre planétésimaux est censée diminuer au fil du temps, à mesure que les planétésimaux sont détruits.

L’échantillon d’objets observés incluait également 14 étoiles autour desquelles la détection d’exoplanètes avait été rapportée. Dans les systèmes exhibant de la lumière exozodiacale, les planètes et la poussière occupent la même région. La présence de lumière exozodiacale à l’intérieur de ces systèmes planétaires est donc susceptible de perturber les études astronomiques à venir pour la détection d’exoplanètes.

Même faible, l’émission de la poussière exozodiacale complique la détection de planètes de type Terre au moyen de l’imagerie directe. La lumière exozodiacale détectée lors de cette campagne d’observations est environ 1000 fois plus intense que la lumière zodiacale émise à proximité du Soleil. A l’échelle du Système Solaire, le nombre d’étoiles entourées de lumière zodiacale est vraisemblablement bien plus élevé que le nombre d’étoiles détectées au cours de cette campagne. Ces observations constituent donc un simple premier pas vers des études plus détaillées de la lumière exozodiacale.

« Le taux élevé de détection à un tel niveau de brillance suggère qu’un nombre significatif de systèmes est susceptible de contenir de la poussière caractérisée par une émission plus faible, indétectable dans le cadre de notre campagne d’observations, mais certainement plus lumineuse que la poussière zodiacale du Système Solaire » ajoute Olivier Absil, co-auteur de l’étude, de l’Université de Liège. « La présence de cette poussière dans un si grand nombre de systèmes pourrait donc constituer un obstacle à de futures campagnes d’observations, basées sur l’imagerie directe d’exoplanètes de type Terre. »

Contact

Jean-Charles Augerau, IPAG-OSUG : +33 (0)4 76 51 47 86 | Jean-Charles.Augereau [a] univ-grenoble-alpes.fr

Références

  • A near-infrared interferometric survey of debris-disc stars. IV. An unbiased sample of 92 southern stars observed in H-band with VLTI/PIONIER, par S. Ertel et al., Astronomy & Astrophysics.
  • Searching for faint companions with VLTI/PIONIER. II. 92 main sequence stars from the Exozodi survey, par L. Marion et al., Astronomy & Astrophysics.

[1] L’équipe a utilisé l’instrument PIONIER du VLTI, capable de relier, par interférométrie, les quatre télescopes auxiliaires ou les quatre unités télescopiques du VLT à l’Observatoire Paranal. Ce qui explique la résolution extrêmement élevée des cibles ainsi que la grande efficacité des observations.

[2] Des observations antérieures avaient été effectuées au moyen du réseau CHARA – un interféromètre astronomique optique géré par le Centre dédié à la Haute Résolution Angulaire en Astronomie (CHARA) de l’Université de l’État de Géorgie, et sa combinaison de faisceaux fibrés FLUOR.

[3] Résultat secondaire s’il en est : ces observations ont également permis la découverte inattendue de nouveaux compagnons stellaires en orbite autour de certaines des étoiles les plus massives de l’échantillon. « L’existence de ces nouveaux compagnons nous invite à revoir notre connaissance actuelle du nombre d’étoiles doubles de ce type » suggère Lindsay Marion, principal auteur d’un article complémentaire faisant état de travaux entrepris sur la base des mêmes données.

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