PLANÈTES (GENÈSE DES)

Le 5 novembre 2014, la direction du radiotélescope Atacama Large Millimeter-submillimeter Array (A.L.M.A.) publia dans un communiqué une « image révolutionnaire révélant la genèse de planètes » autour de l’étoile HL Tauri (HL Tau). L’image, magnifique (fig.1), suscita immédiatement un enthousiasme justifié, dans l’attente de l’article scientifique détaillé, qui parut en mars 2015. La constellation du Taureau, bien visible dans le ciel d’hiver de l’hémisphère Nord, contient des étoiles relativement proches du Soleil (140 parsecs soit 450 années-lumière) et se prête donc à une étude détaillée. Elle est depuis longtemps connue pour contenir un nuage de poussière et de gaz où naissent des protoétoiles, le plus souvent entourées d’un disque formé par un mécanisme d’accrétion bien analysé. HL Tau est l’une de ces protoétoiles très jeunes – un à deux millions d’années – venant donc tout juste d’émerger de la phase de cocon très dense qui caractérise le premier stade de formation d’une étoile, accompagnée d’un disque d’accrétion selon un processus désormais largement observé et compris dans ses grandes lignes. Ce disque, chauffé par le rayonnement de l’étoile, est mis en évidence par le rayonnement thermique de ses grains de poussière aux longueurs d’onde infrarouges et millimétriques – selon leur température – et par les raies spectrales qu’émettent les molécules présentes dans son gaz. Jusqu’ici, le diamètre du disque avait été mesuré (25 unités astronomiques [ua], soit à peine la distance du Soleil à la planète Neptune), ainsi que sa masse, considérée comme importante par comparaison à d’autres disques. Âge et masse du disque indiquaient qu’autour de l’étoile HL Tau les conditions de formation d’exoplanètes pourraient bien être réunies.

Le radio-interféromètre A.L.M.A., situé au Chili, sur un plateau à 5 100 mètres d’altitude, est mis en œuvre par un consortium international rassemblant l’Europe, les États-Unis et le Japon (fig. 2). C’est aujourd’hui l’instrument le plus puissant pour élaborer des images détaillées, aux longueurs d’onde millimétriques (ici aux longueurs d’onde comprises entre 0,87 et 2,6 mm), d’objets variés, dont les disques. En plaçant les antennes à grande distance mutuelle, ici 15 kilomètres, la résolution atteinte par cette combinaison interférométrique de télescopes est de 25 millisecondes d’arc, ce qui correspond à la capacité de discerner à la distance de HL Tau un détail de 3,5 ua (pour rappel, 1 ua est égale à la distance Terre-Soleil ; 5 ua à la distance Terre-Jupiter). En multipliant les observations par déplacement des antennes et variation de leurs distances mutuelles, une image fine de la région est alors construite.

Atteignant une résolution près de dix fois supérieure à celle des images antérieures, A.L.M.A. révèle un disque, incliné à 46 degrés pour l’observateur terrestre, strié de sept paires de zones claires et sombres, légèrement elliptiques, l’étoile étant située au foyer de chacune des ellipses. Les zones claires traduisent la présence de grains solides dont la température décroît en s’éloignant de l’étoile (entre 210 et 25 kelvins), tandis que les zones plus sombres, mais non totalement vides de matière, indiquent la présence de grains moins abondants et de tailles différentes. La masse totale du disque – contenant gaz et grains dans une proportion à déterminer – peut être calculée à partir de l’émission des grains et de celle du radical moléculaire gazeux HCO⁺ ; il se confirme que cette masse est importante (1,3 fois la masse du Soleil, donc presque autant que la masse de l’étoile HL Tau), par comparaison à d’autres disques bien moins massifs. Enfin, résultat majeur, les demi-grands axes des zones successives présentent entre eux des rapports simples,[...]