Les jours des super-Jupiters HR 8799 mesurés pour la première fois, donnent une nouvelle tournure au mystère de la formation des planètes –

Découvert en 2008 par deux observatoires Maunakea à Hawaï — WM Keck Observatory et l’observatoire international Gemini, un programme du NOIRLab de la NSF — le système stellaire HR 8799 est situé à 129 années-lumière et possède quatre planètes plus massives que Jupiter, ou super -Jupiters : HR 8799 planètes b, c, d et e. Aucune de leurs périodes de rotation n’avait jamais été mesurée, jusqu’à présent.

La percée a été rendue possible par une équipe scientifique et technique dirigée par l’observatoire Caltech et Keck qui a développé un instrument capable d’observer des exoplanètes imagées connues à des résolutions spectrales suffisamment détaillées pour permettre aux astronomes de déchiffrer à quelle vitesse les planètes tournent.

En utilisant le Keck Planet Imager and Characterizer (KPIC) de pointe sur le télescope Keck II au sommet de l’île d’Hawaï Maunakea, les astronomes ont découvert que les vitesses de rotation minimales des planètes HR 8799 d et e étaient de 10,1 km/s et 15 km/s, respectivement. Cela se traduit par une durée de jour qui peut être aussi courte que trois heures ou peut aller jusqu’à 24 heures comme sur Terre en fonction des inclinaisons axiales des planètes HR 8799, qui sont actuellement indéterminées. Pour le contexte, une journée sur Jupiter dure près de 10 heures ; sa vitesse de rotation est d’environ 12,7 km/s.

Quant aux deux autres planètes, l’équipe a pu contraindre le spin de HR 8799 c à une limite supérieure inférieure à 14 km/s ; la mesure de la rotation de la planète b n’était pas concluante.

Les résultats sont les premiers résultats scientifiques de KPIC, qui ont été acceptés pour publication dans Le journal astronomique.

“Avec KPIC, nous avons pu obtenir les observations de résolution spectrale les plus élevées jamais réalisées sur les exoplanètes HR 8799”, explique Jason Wang, astronome à Caltech et auteur principal de l’étude. “Cela nous permet de les étudier avec une granularité plus fine que jamais et ouvre la clé pour mieux comprendre non seulement comment ces quatre planètes se sont formées, mais comment les géantes gazeuses en général se développent dans l’univers.”

DIZZY DATA DÉVOILE LE PASSÉ DES PLANÈTES

La vitesse de rotation d’une planète donne un aperçu de son histoire de formation. Créées à partir de gaz et de poussière soulevés par une étoile nouveau-née, les bébés planètes commencent à tourner plus vite à mesure qu’elles accumulent plus de matière et grandissent – un processus appelé accrétion de noyau. On pense que les champs magnétiques planétaires ralentissent alors et limitent leur vitesse de rotation. Une fois que la planète entièrement formée a fini de s’accréter et s’est refroidie, elle recommence à tourner.

“Les spins des planètes HR 8799 d et e sont cohérents avec la théorie selon laquelle les champs magnétiques des planètes freinent leurs spins pendant leurs années de naissance”, explique Wang. “Les mesures de rotation suggèrent également l’idée que les planètes de masse inférieure tournent plus rapidement parce qu’elles sont moins affectées par le freinage magnétique, ce qui pourrait nous dire quelque chose d’important sur la façon dont elles se forment. Je trouve cela alléchant.”

Wang souligne que cette tendance possible n’est pas confirmée ; pour le valider, il faut davantage de mesures de spin KPIC de compagnons de masse inférieure. L’objectif de l’équipe est de trouver un lien commun entre les périodes de rotation des planètes HR 8799, les planètes géantes de notre propre système solaire, Jupiter et Saturne, et d’autres super-Jupiters et naines brunes connues.

“Avec suffisamment de mesures de spin, nous serons en mesure d’identifier des tendances qui révéleraient le fonctionnement des processus physiques à l’origine de la formation des planètes”, explique le co-auteur Jean-Baptiste Ruffio, chercheur postdoctoral David et Ellen Lee associé en astronomie à Caltech. “C’est quelque chose que les gens ont déjà commencé à faire, mais KPIC nous permet de le faire pour les mondes extraterrestres les plus petits, les plus faibles et les plus proches.”

LE PREMIER SUCCÈS LÉGER DE KPIC

Mis en service entre 2018 et 2020, la spécialité de KPIC est de détecter les exoplanètes et les naines brunes qui orbitent si près de leurs étoiles hôtes que l’éblouissement de la lumière des étoiles rend difficile la « vue » de ces corps célestes depuis la Terre. L’instrument filtre la lumière stellaire indésirable au moyen d’une unité d’injection de fibre innovante qui achemine la lumière du système d’optique adaptative (AO) du télescope Keck II vers le spectrographe proche infrarouge de l’Observatoire (NIRSPEC).

Les premiers résultats légers de KPIC sont décrits dans un document technique qui a été accepté dans le Journal des télescopes, instruments et systèmes astronomiques (JATIS).

« KPIC change la donne dans le domaine de la caractérisation des exoplanètes », déclare le chercheur principal de KPIC, Dimitri Mawet, professeur d’astronomie à Caltech. “Cela nous permet de mesurer la durée du jour d’une planète, son orbite et la composition moléculaire de son atmosphère.”

KPIC a fait de fortes détections d’eau et de monoxyde de carbone, mais pas de méthane, dans trois des quatre planètes HR 8799 – c, d et e – ce qui est cohérent avec ce que l’on sait des atmosphères des planètes.

“C’est excitant de voir la superpuissance de KPIC se manifester”, déclare Jacques Delorme, scientifique/ingénieur de l’Observatoire Keck, auteur principal de l’article JATIS. « Parce qu’il s’agit de la première technologie du genre, nous ne savions pas si KPIC allait fonctionner aussi bien qu’il l’a fait. Maintenant que nous avons démontré avec succès ses capacités, nous pouvons passer à la phase 2 du projet pour améliorer encore la performance globale de l’instrument.”

“Nous n’avons pas encore déverrouillé tout le potentiel scientifique de KPIC”, a déclaré Nemanja Jovanovic, scientifique en chef des instruments de Caltech, co-auteur de l’article technique. “Grâce à davantage de mises à niveau des instruments, nous espérons observer des exoplanètes dans un avenir proche avec un degré de détail si élevé que nous pourrons étudier les phénomènes météorologiques et cartographier les nuages ​​des planètes géantes gazeuses.”

La phase 2 des mises à niveau de KPIC est prévue pour cet hiver. Si tout se passe bien, la communauté scientifique de l’observatoire Keck pourrait commencer à utiliser la technologie au cours du second semestre 2022.