Lorsque Galileo Galilei, mathématicien de l'Université de Padoue, a pointé vers le ciel une longue-vue de sa propre création, il a été submergé par ce qu'il a vu : plus de 500 nouvelles étoiles dans la constellation d'Orion, en plus des trois familières dans le ciel du chasseur. ceinture et six à l'épée.

En octobre, les astronomes ont utilisé le télescope spatial James Webb pour zoomer sur l'une des étoiles du milieu de l'épée et ont identifié environ 500 autres points inédits. Les mondes sont si petits et si sombres qu’ils brouillent la frontière entre étoile et planète. C'est une ambiguïté qui tourmentait Galilée, qui faisait référence aux lunes de Jupiter à la fois comme « étoiles » et « planètes » dans la même page de son traité d'astronomie de 1610, et elle continue de troubler les astronomes aujourd'hui.

« Quand nous regardons le système solaire, tout est beau et soigné. Vous obtenez le soleil et les planètes », a déclaré Samuel Pearson, astronome à l'Agence spatiale européenne (ESA). Il n'y a rien au milieu. Mais "quand vous y jetez un coup d'œil", a déclaré Pearson, "vous réalisez qu'il existe un spectre complet d'objets avec pratiquement toutes les masses intermédiaires."

L’observation JWST vient renforcer un catalogue croissant d’objets isolés occupant cette zone grise entre planètes géantes et étoiles minuscules. Parfois appelés planètes « flottantes » ou « voyous », ces mondes solitaires dérivent librement dans l’espace. Bien que les astronomes puissent estimer la masse de ces boules de gaz sombres, semblables à celles de Jupiter, leurs origines restent mystérieuses. S’agit-il réellement de planètes – des « Jupiters » qui tournaient autrefois autour des étoiles mais qui en ont été crachées d’une manière ou d’une autre ? Ou s’agit-il plutôt de micro-étoiles qui n’ont pas réussi à s’enflammer ?

Plutôt que de répondre à cette question, l’observation du JWST ajoute au mystère : l’œil infrarouge du télescope a découvert que des dizaines de mondes semblent être par paires en orbite l’un autour de l’autre – un arrangement déroutant qui, s’il était confirmé, défierait toutes les attentes.

"Il nous manque quelque chose", a déclaré Nienke van der Marel, un chercheur qui étudie la formation des planètes à l'Observatoire de Leiden aux Pays-Bas, "et nous ne savons pas de quoi il s'agit".

Ces duos improbables ne peuvent être facilement expliqués par aucune théorie connue sur la formation d’étoiles ou de planètes flottantes. Mais moins d'une semaine après l'annonce du JWST, les chercheurs ont publié une nouvelle idée audacieuse décrivant comment des planètes géantes pourraient être éjectées de leur système d'origine par paires – un événement que la plupart des chercheurs pensaient presque impossible. Reste à savoir si la proposition peut pleinement prendre en compte l’ensemble du zoo des mondes sombres et sans étoiles. Mais les chercheurs s’attendent à ce qu’une compréhension plus fine des mondes flottants et des systèmes stellaires qui les créent soient à portée de main.

"Si effectivement [cette découverte] est confirmée", a déclaré Peter Plavchan, astrophysicien à l'Université George Mason qui n'a pas participé à la détection des paires de Jupiters, "ce sera vraiment révolutionnaire".

Des mondes sombres partout

Les mondes flottant librement ont échappé à l’attention des astronomes pendant des siècles parce qu’ils sont extrêmement sombres. Pour fusionner l’hydrogène et briller intensément, les étoiles doivent être au moins 80 fois plus massives que Jupiter. Les mondes voyous sont beaucoup plus légers et sont communément définis comme pesant moins de 13 Jupiters. (Tout ce qui se situe entre 13 et 80 Jupiters peut fusionner une variante plus lourde de l'hydrogène et est classé comme une naine brune, ou ce que les astronomes appellent parfois de manière romantique une « étoile ratée »).

En fait, la relative invisibilité des planètes en liberté a autrefois incité certains astrophysiciens à se demander s’il pourrait y avoir suffisamment de ces objets pour expliquer la matière noire – la masse non identifiée qui semble maintenir les galaxies ensemble. Cette question a motivé les astronomes à rechercher des signes de tels mondes dans les années 1990, ce qu’ils ont fait en recherchant les manières subtiles par lesquelles leur gravité déformerait l’apparence des étoiles devant lesquelles ils étaient passés. La nature indirecte de ces enquêtes par « microlentille » n'était pas bien adaptée à l'identification d'objets individuels flottant librement, mais elles ont montré qu'il n'y avait pas assez de tout ce qui existait pour constituer la matière noire.

Les premières images de mondes voyou sont arrivées dans les années 2000, lorsque les astronomes ont repéré quelques objets brillent encore dans la lumière infrarouge à cause de la chaleur de leur formation. Sur la base de ces observations, une origine possible a émergé. En 2010, des astrophysiciens dont Jean-Raymond à l'Université de Bordeaux en France, a simulé l'évolution des systèmes planétaires et a découvert que lorsqu'une planète géante gazeuse expulse un frère de son système d'origine, comme cela arrive parfois, l'expulsion étire l'orbite du survivant dans une ellipse. Les astronomes avaient observé ces orbites asymétriques, que le groupe de Raymond et d'autres chercheurs ont interprétées comme des cicatrices d'un traumatisme interplanétaire passé.

Le premier catalogue substantiel de mondes flottants n'est pas venu de chasseurs de planètes mais de chasseurs d'étoiles à la recherche d'objets semblables à des étoiles encore moins lourds que les naines brunes. Nuria Miret Roig de l'Université de Vienne et Hervé Bouy de l'Université de Bordeaux recherchaient la plus naine des naines brunes de la constellation du Scorpion, qui héberge une nébuleuse gazeuse qui produit de nombreuses étoiles et planètes. Au milieu de plus de 26 millions de points de lumière infrarouge répartis sur 80,000 20 images, ils ont recherché des objets faiblement brillants qui se déplaçaient dans leur champ de vision au cours d'observations s'étalant sur 2021 ans. En XNUMX, ils ont annoncé avoir trouvé une prime d’environ 100 objets candidats entre 4 et 13 masses de Jupiter, ce qui augmente le nombre de mondes voyous connus d'environ cinq fois.

Avec plus d’une poignée d’objets flottant librement à analyser, les chercheurs pourraient alors commencer à se poser des questions fondamentales sur l’origine de ces mondes. Une possibilité était qu’ils se soient fusionnés à partir des détritus en forme de disque qui entourent une étoile nouvellement née, comme le font les planètes. Et puis une rencontre fortuite avec un voisin les avait éjectés, à la manière des simulations de Raymond en 2010.

La deuxième possibilité était qu'ils se soient formés seuls, lorsqu'un nuage isolé d'hydrogène et d'hélium est devenu suffisamment dense pour s'effondrer en boule. C’est ainsi que naissent les étoiles, et cela ferait en sorte que ces mondes ressembleraient moins à des planètes qu’aux plus petites naines brunes de la galaxie.

Miret Roig et Bouy ont conclu que leurs candidats contenaient probablement des mondes formés dans les deux sens. Les objets les plus légers étaient probablement des planètes projetées, même si les astronomes en avaient trouvé trop pour pouvoir l'expliquer facilement à l'aide des seuls modèles d'éjection planétaire.

"Il existe de nombreuses planètes flottantes", a déclaré Miret Roig, "et elles se forment probablement par des mécanismes différents."

Un mélange des deux origines semblait probable. Mais parmi les 100 mondes flottant librement, combien étaient des planètes et combien ressemblaient à des étoiles, les chercheurs ne pouvaient pas le dire.

Trois jours après la publication de leurs résultats par Miret Roig et Bouy, Lancement du JWST, ainsi qu’une nouvelle ère pour la chasse aux planètes flottantes.

Gouttes de Jupiters

Les astronomes soupçonnaient que JWST serait une machine de recherche de planètes flottant librement. Il se situe bien au-delà des interférences de l’atmosphère terrestre. Son miroir géant lui confère une sensibilité bien plus grande aux subtilités de l'univers que son prédécesseur, le télescope spatial Hubble. Et il capte la lumière infrarouge, ce qui le rend parfait pour repérer les mondes faiblement lumineux.

Pearson s'est associé à Marc McCaughrean, un astronome de l'ESA, pour étudier plus en profondeur les mondes flottants qu'il n'était possible auparavant. Ils étaient fascinés par la formation des étoiles et la formation des planètes et voulaient cibler des objets – comme les naines brunes – dans la « zone grise chaotique » entre les deux. Là, « vous obtenez le croisement des deux mondes », a déclaré Pearson. En octobre 2022, Pearson et McCaughrean ont fait tourner le télescope spatial vers une étoile centrale dans l'épée suspendue à la ceinture d'Orion. Pendant 35 heures.

Il a fallu des mois à Pearson pour aligner les 12,500 XNUMX Images JWST de la nébuleuse d'Orion, pixel par pixel. Cette tâche formidable a été contrecarrée par la sensibilité exquise du télescope : de nombreux objets faibles généralement utilisés comme points de repère ont aveuglé l'œil ultra-sensible de JWST.

"Les naines brunes, qui sont normalement difficiles à voir, effaçaient des fragments du détecteur", a-t-il déclaré. Ce n’était « tout simplement pas un problème que j’ai jamais rencontré avec un autre télescope ».

Après avoir terminé la mosaïque cosmique, Pearson a été récompensé par une abondance de mondes mystérieux qu'il recherchait : plus de 500 objets flottant librement de quelques masses de Jupiter parsemaient la nébuleuse d'Orion. Mais la véritable surprise, c'est que, en y regardant de plus près, il a vu quelque chose qui, au départ, n'avait pas beaucoup de sens. Certaines des taches de lumière étaient des paires d’objets de masse Jupiter. En tout, il a dénombré 42 paires de Jupiters tournoyants – un nombre frappant.

« Attendez, pourquoi y a-t-il tous ces trucs faibles par paires ? Pearson se souvient s'être demandé. "Ensuite, le centime a chuté et nous avons réalisé que nous devions examiner cela très attentivement."

D’un point de vue théorique, ces duos semblaient presque impossibles. Il était peu probable qu’il s’agisse de planètes expulsées ; Lorsqu'une planète en chasse une autre d'un système stellaire, la planète éjectée s'envole presque toujours seule. Mais il ne pouvait pas non plus s'agir d'étoiles, car beaucoup d'entre elles pesaient aussi peu qu'un seul Jupiter – une masse trop légère pour que l'objet se soit formé directement à partir d'un nuage de gaz en train de s'effondrer. L'équipe a surnommé leurs duos mystérieux Jupiter Mass Binary Objects, ou JUMBO en abrégé, et les a décrits dans une préimpression posté le 2 octobre.

Les JUMBO ont pris au dépourvu les experts en formation d’étoiles et de planètes. « Cela n’a pas du tout été prévu. Il n’existe aucune théorie selon laquelle nous nous attendrions à ces grands objets planétaires flottant librement en si grand nombre », a déclaré Matthew Bate, astrophysicien à l'Université d'Exeter spécialisé dans la formation des étoiles.

Les astronomes avaient déjà observé que même si de nombreuses étoiles massives tournoyaient dans l’espace avec des partenaires, le pourcentage d’étoiles couplées diminuait avec leur masse. "Nous nous attendons généralement à ce que les tendances se poursuivent", a déclaré van der Marel. Ainsi, a-t-elle dit, le pourcentage d’objets de masse Jupiter par paires « devrait tendre vers zéro ». Sauter jusqu'à 10 % n'était prévu pour personne sur la carte de bingo JWST.

Le hic, c'est qu'au moins certains des JUMBO sont probablement des mirages. Plus un objet se trouve profondément dans un environnement poussiéreux (et la nébuleuse d'Orion est extrêmement poussiéreuse), plus il est difficile de le distinguer d'une étoile lointaine et plus massive derrière la nébuleuse, qui devrait avoir un partenaire. Dans des études précédentes, entre 20 et 80 % de ce qui ressemblait à des mondes flottants se sont révélés être des étoiles vanille. "Il faut être un peu prudent pour le moment", a déclaré Miret Roig.

Au printemps, Pearson et McCaughrean utiliseront JWST pour observer à nouveau leur lot de mondes flottants, cette fois dans un spectre de couleurs plus riche. Ces observations de suivi aideront à confirmer quels JUMBO sont réels en recherchant des traces de méthane ou d'eau dans leurs atmosphères, une signature révélatrice des mondes de masse de Jupiter.

"Une fois que vous avez les spectres", a déclaré Pearson, "il n'y a pratiquement aucun endroit où se cacher."

Simulations rapides

Même sans confirmation, les théoriciens se précipitent déjà pour expliquer ces mondes déroutants.

Rosalba Perna, astrophysicienne à l'Université de Stony Brook, a entendu parler des JUMBO d'Orion dans les journaux, avant même de lire l'article de Pearson. Perna et Yihan Wang de l'Université du Nevada à Las Vegas étudiait ce qui se produit lorsqu'une étoile survole un autre système solaire. Ils s’étaient principalement concentrés sur la simulation de systèmes comportant une seule planète géante. Mais les JUMBO ont amené Perna à se demander : et s'il y avait deux planètes géantes ? Elle a appelé Wang et lui a demandé de voir ce qui se passerait s'il insérait un deuxième Jupiter dans les simulations.

Wang a mis en place son programme pour projeter des étoiles numériques sur d'innombrables systèmes stellaires à deux Jupiter sous tous les angles. Il a également configuré le logiciel pour l'avertir si l'étoile « intruse » envoyait les deux planètes ensemble dans l'espace, créant ainsi un JUMBO. Ensuite, il a envoyé le code à un cluster informatique de son université et est allé déjeuner.

Lorsque Wang est retourné à son bureau et a vérifié son ordinateur, il a trouvé une liste d'alertes indiquant « planète binaire formée !!! »

À partir de dizaines de milliards de simulations, l’équipe a constaté qu’il était relativement facile de démarrer des paires de Jupiters si les planètes se trouvaient assez proches les unes des autres au moment du passage de l’étoile en maraude. Cela se produisait particulièrement souvent pour les voisins dont les orbites étaient très rapprochées (pensez à Uranus et Neptune). Dans de tels cas, jusqu’à 20 éjections sur 100 ont produit des JUMBO (les 80 autres planètes uniques produites) – plus que suffisant pour expliquer le taux de 10 % observé par Pearson à Orion. Mais pour les planètes avec des orbites plus espacées (pensez à Jupiter-Neptune), presque toutes les éjections ont abouti à des planètes isolées.

Avec la contribution du collègue de Wang Zhaohuan Zhu, le groupe a travaillé XNUMX heures sur XNUMX (et dans un cas lors d'un vol vers l'Europe). Le trio a rédigé ses résultats et posté une prépublication le 9 octobre, une semaine après la découverte de JUMBO.

"La vitesse à laquelle ils ont écrit cela est légèrement effrayante", a déclaré Pearson.

D’autres astrophysiciens théoriciens n’ont pas encore complètement digéré les nouveaux résultats, mais ils les trouvent plausibles – et surprenants. "Je ne pensais pas qu'il était possible de créer une paire de planètes flottantes du point de vue de l'éjection", a déclaré Raymond. "Mais ensuite, ce document est sorti."

Néanmoins, certains détails de la théorie de l’intrus stellaire nécessiteront une étude plus approfondie. La nébuleuse d'Orion est un endroit dense avec de nombreuses étoiles qui tournent autour, mais est-elle suffisamment chaotique pour créer d'abord des systèmes solaires, puis les briser, le tout en quelques millions d'années ? En outre, de nombreux JUMBO de Pearson et McCaughrean gravitent autour de grandes distances ; ils sont plusieurs fois plus éloignés les uns des autres que Pluton ne l’est de la Terre. Mais selon les simulations de Wang, la seule façon d'obtenir des JUMBO aussi espacés est de commencer avec des systèmes solaires également espacés, ce que les astronomes voient rarement.

"Nous savons, grâce aux recherches d'imagerie directe sur de jeunes étoiles, que très peu d'étoiles ont des planètes géantes sur des orbites [larges]", a déclaré Bate. "Il est difficile d'accepter qu'il y ait de nombreux grands systèmes planétaires à perturber sur Orion."

Les objets malveillants abondent

À l’heure actuelle, de nombreux chercheurs soupçonnent qu’il existe plusieurs façons de créer ces étranges objets intermédiaires. Par exemple, en bidouillant, les théoriciens pourraient découvrir que les ondes de choc d’une supernova peuvent comprimer des nuages ​​de gaz plus petits et les aider à s’effondrer en paires de minuscules étoiles plus facilement que prévu. Et les simulations de Wang ont montré que le démarrage de planètes géantes par paires est, du moins dans certains cas, théoriquement inévitable.

Même si de nombreuses questions demeurent, la multitude de mondes flottants découverts au cours des deux dernières années a appris deux choses aux chercheurs. Premièrement, ils se forment rapidement – ​​sur des millions d’années plutôt que sur des milliards. À Orion, des nuages ​​de gaz se sont effondrés et des planètes se sont formées, et certaines, peut-être, ont même été entraînées dans les abysses par le passage des étoiles, tout au long de la période pendant laquelle les humains modernes évoluaient sur Terre.

"Former une planète en 1 million d'années est difficile avec les modèles actuels", a déclaré van der Marel. "Cette [découverte] ajouterait une autre pièce à ce puzzle."

Deuxièmement, il existe une multitude de mondes non connectés. Et les géantes gazeuses lourdes sont les plus difficiles à expulser de leur système, tout comme une boule de bowling serait l’objet le plus difficile à faire tomber d’une table de billard. Cette observation suggère que pour chaque Jupiter repéré, de nombreux Neptunes et Terres flottant librement passent inaperçus.

Nous vivons probablement dans une galaxie regorgeant de mondes bannis de toutes tailles.

Aujourd'hui, près d'un demi-millénaire après que Galilée se soit émerveillé devant la myriade de points de lumière - lunes, planètes et étoiles - dans le ciel de la Terre, ses successeurs font connaissance avec la pointe la plus brillante de l'iceberg des objets les plus sombres à la dérive entre eux. Les petites étoiles, les mondes sans étoiles, les astéroïdes invisibles, les comètes extraterrestres et bien plus encore.

"Nous savons qu'il y a tout un tas de conneries entre les stars", a déclaré Raymond. Ce type de recherche « ouvre une fenêtre sur tout cela, pas seulement sur les planètes flottantes mais sur les objets flottants en général ».

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