Un document exceptionnel de l’ESA (2021 10 25)
Pourrait-il y a avoir une planète dans une autre galaxie ?
Qu’il puisse y en avoir semble évident puisque de nombreuses exoplanètes ont été décelées dans notre propre galaxie (la Voie Lactée), pourquoi n’y en aurait-il pas dans d’autres galaxies ? Leur existence est quasi-certaine. Par contre ce qui est excessivement difficile est de détecter une ou plusieurs exoplanètes dans d’autres galaxies que la nôtre, compte tenu de leur distance et de la taille modeste des planètes.
En utilisant les télescopes spatiaux XMM-Newton de l’ESA et Chandra X-ray de la NASA, les astronomes ont franchi un pas important dans leur quête de la découverte d’une planète située en dehors de la Voie Lactée.
Découvrir une planète dans une autre galaxie que la nôtre est difficile et, quand bien même les astronomes savent qu’elles doivent exister, aucun système planétaire en dehors de la Voie Lactée n’a été confirmé jusqu’alors. Parce que la lumière d’une autre galaxie est située dans une très petite surface dans le ciel, il est très difficile de distinguer une étoile d’une autre, et encore moins une planète en orbite autour d’elle. Et les techniques habituelles pour trouver des exoplanètes dans notre galaxie ne fonctionnent pas bien pour les planètes hors de celle-ci.
Une vue de la galaxie du Tourbillon (M51), en rayons-X par XMM-Newton
La galaxie du Tourbillon également connue sous le nom de galaxie des Chiens de Chasse ou M51 (ou NGC 5194), est l’un des exemples les plus spectaculaires d’une galaxie spirale. Avec deux bras spiraux boucle l’un dans l’autre dans un tourbillon flottant, cette galaxie héberge plus de 100 milliards d’étoiles et elle est actuellement en train de fusionner avec sa compagne, la petite galaxie NGC 5195. À environ 30 millions d’années-lumière de distance, M51 est suffisamment proche pour être vue, ne serait-ce qu’avec des jumelles. En utilisant les meilleurs télescopes disponibles sur Terre et dans l’espace, les astronomes peuvent scruter sa population d’étoiles avec des détails extraordinaires.
Cela révèle les restes d’anciennes générations stellaires, qui brillent fortement en rayons-X. Ce sont, soit des sites où des étoiles massives ont explosé en supernovæ il y a quelques milliers d’années, ou des systèmes binaires qui hébergent des étoiles à neutrons ou des trous noirs, les objets compacts laissées par les supernovæ.
C’est différent quand on les observe en rayons-X plutôt qu’en lumière visible dans une galaxie. Parce qu’il y a moins d’objets qui brillent en rayons-X, les télescopes comme XMM-Newton peuvent distinguer plus facilement les objets quand ils observent une galaxie. Ces objets sont doc plus faciles à identifier et à étudier, et il devrait être possible de découvrir une planète les orbitant.
Illustration d’artiste d’un système binaire en rayons-X avec une possible planète
Les astronomes ont détecté une baisse temporaire de rayons-X en provenance d’un système où une étoile massive tourne autour d’une étoile à neutrons ou d’un trou noir (montré dans l’illustration d’artiste ci-dessus). Cette baisse d’intensité est interprétée comme venant d’une planète qui passe devant une source de rayons-X autour de l’étoile à neutrons ou le trou noir.
Parmi les objets les plus brillants qui peuvent être étudiés dans d’autres galaxies sont ce qu’on appelle des binaires en rayons-X. Ils consistent en un objet très compact, une étoile à neutrons ou un trou noir, qui absorbe la matière venant d’une étoile compagne (ou donneur) qui est en orbite autour de cet objet compact. La matière qui tombe est accélérée par le champ gravitationnel intense de l’étoile à neutrons ou du trou noir et elle est chauffée à des millions de degrés, provoquant ainsi de brillantes émissions de rayons-X. Les astronomes s’attendent à ce que, théoriquement, des planètes passant devant une telle source (transit) devrait bloquer ces rayons-X, provoquant ainsi un « creux » dans la courbe observée des rayons-X.
« Les binaires en rayons-X peuvent être des endroits idéals pour rechercher des planètes car même s’ils sont des millions de fois plus brillants que notre Soleil, les rayons-X viennent d’une très petite région. En fait, la source que nous avons étudiée est plus petite que Jupiter, donc une planète en transit pourrait bloquer complètement la lumière issue de la binaire en rayons-X » explique Rosanne Di Stefano du centre d’Astrophysique, du Harvard & Smithsonian Institute (USA), et premier auteur d’une nouvelle étude publiée dans Nature Astronomy today.
Rosanne et ses collègues ont cherché dans Chandra et XMM-Newton, des données de trois galaxies pouvant montrer de tels transits en rayons-X, des creux dans la lumière qui pourraient être expliqués par la présence de planètes. Et ils ont trouvé un signal très spécial dans la galaxie du Tourbillon (M51), qu’ils ont décidé d’étudier plus en détail. Ce creux est intervenu dans la binaire en rayons-X M51-ULS-1, et le signal a été bloqué pendant quelques heures avant de revenir.
Une image composite de M51 avec des rayons-X captés par Chandra et de la lumière visible fournie par le télescope spatial Hubble a été créée, qui contient un carré qui marque l’emplacement de la possible planète candidate.
Emplacement possible d’une planète dans M51
Maintenant, le jeu consiste à éliminer toutes les explications possibles, avant que les chercheurs puissent envisager l’option d’une planète extragalactique. « Nous devons d’abord nous assurer que le signal n’a pas été causé par quelque chose d’autre », dit Rosanne, dont l’équipe a dû se confronter à un certain nombre de possibilités dans leur nouvelle publication. « Nous avons fait cela par une analyse en profondeur des données de Chandra, et par une analyse d’autres creux et signaux dans les données de XMM-Newton, et également modéliser les creux pouvant avoir été causés par d’autres évènements possibles, dont la présence d’une planète ».
Sur ce schéma, en haut à gauche, c’est l’objet de l’étude. M51 est dessous. Au centre un dessin de la binaire (étoile « donneuse » à gauche et étoile à neutrons ou trou noir au centre du rayon vertical). À gauche en bas la planète supposée et son orbite supposée, plus à droite le creux constaté en rayons-X. À droite, sous les deux télescopes orbitaux, il y a une étude des éléments qui auraient pu provoquer le fameux creux. Celles qui sont marquées d’une croix blanche sur fond rouge ont été étudiées, puis écartées.
Est-ce que le creux en rayons-X pourrait être causé par de petites étoiles comme des naines rouges ou brunes ? Non car le système est trop jeune pour cela et l’objet en transit est trop gros.
Est-ce que cela pourrait-être dû à un nuage de gaz et de poussières ? Peu probable, dit l’équipe, parce que le creux indique un objet avec une surface bien définie, ce qui ne serait pas le cas si c’était le passage d’un tel nuage. Même si la planète a une atmosphère, elle aurait quand même une surface mieux définie qu’un nuage.
Est-ce que le creux pourrait être expliqué par des variations de la luminosité de la source elle-même ? Les auteurs de l’article sont persuadés que ce n’est pas le cas car, bien que la lumière venant de la source avait complètement disparu pendant quelques heures avant de revenir, la température et les couleurs de la lumière sont restées les mêmes.
Enfin, l’équipe a aussi comparé le creux à un autre blocage de la lumière causé par l’étoile « donneur » passant devant l’objet compact. Cette possibilité avait été observée en partie par XMM-Newton et cela avait causé un black-out beaucoup plus long, qui était différent du creux causé par une possible planète.
« Nous avons fait des simulations informatiques pour voir si le creux avait les caractéristiques d’une planète en transit, et nous avons trouvé que cela concordait parfaitement. Nous sommes assez confiants quant au fait que ce n’est rien d’autre qu’une planète et que nous avons donc trouvé la première planète extragalactique candidate ».
L’équipe a aussi spéculé sur les caractéristiques de la planète en se basant sur les observations : elle devrait être de la taille de Saturne, en orbite autour de système binaire à dix fois la distance Terre-Soleil. Elle ferait une orbite complète en environ 70 ans, et serait bombardée par de grandes quantités de radiations, la rendant ainsi inhabitable pour une vie telle qu’on la connait sur Terre.
Cette grande orbite de la planète candidate est aussi une limitation pour son étude, car l’évènement ne se reproduira pas de sitôt. C’est pour cela que l’équipe demeure prudente pour dire qu’elle a trouvé une possible planète candidate, au sujet de laquelle la grande communauté d’astronomes pourrait trouver d’autres explications au phénomène observé, bien que rien n’ait été trouvé par l’équipe malgré des recherches très poussées. « Nous pouvons seulement dire avec confiance qu’aucune autre explication ne correspond à ce que nous avons trouvé », précise Rosanne.
C’est quand même un pas excitant, une avancée dans la quête d’une planète située en dehors de la Voie Lactée. C’est la première planète candidate qui serait en orbite autour d’un système hôte, à comparer aux candidates trouvées avec des lentilles gravitationnelles. Ce serait aussi la première fois qu’on trouve une planète en orbite autour d’une binaire en rayons-X. L’existence de ces planètes est consistante avec le fait qu’on a trouvé des planètes en orbite autour de pulsars (des étoiles à neutrons en rotation rapide), et certains de ces pulsars ont été l’un des éléments d’un système binaire en rayons-X dans le passé.
« La première exoplanète confirmée en dehors de notre système solaire a été trouvée autour d’un pulsar, un objet typiquement observé en rayons-X. Je suis excité à l’idée que les rayons-X puissant jouer un rôle important dans la recherche d’exoplanètes situées au-delà des limites de notre galaxie », dit Norbert Schartel, scientifique-projet de XMM-Newton à l’ESA.
« Maintenant que nous avons cette nouvelle méthode pour trouver de possible planètes candidates dans d’autres galaxies, notre espoir est qu’en regardant toutes les données disponibles en rayons-X, nous pourrons les trouver en plus grand nombre. Dans le futur nous devrions même être capables de confirmer leur existence », dit Rosanne.
La quête de l’ESA pour trouver d’autres exoplanètes continue avec Cheops, Gaia, et les futures missions Webb, Plato et Ariel.
Note pour les éditeurs
« Une possible planète candidate dans une galaxie externe, détectée dans un transit en rayons-X » , par Rosanne Di Stefano et al. est prévue pour une publication dans Nature Astronomy le 25 octobre 2021.
DOI: 10.1038/s41550-021-01495-w. Fichier PDF disponible ici ↓ (en anglais).
https://drive.google.com/file/d/1JSZA4VQD0UxTRUIdnreGX04XVS2I7kUS/view
Traduction : Olivier Sabbagh