Le télescope JWST observe les JuMBO (binaires de masse de Jupiter) dans la nébuleuse d’Orion

Les étoiles naissent généralement en groupes (appelés systèmes binaires). Des exoplanètes solitaires avec des masses de Jupiter ont été observées. Personne ne s’attendait à des exoplanètes jupitériennes dans des systèmes binaires qui errent seuls dans le milieu interstellaire. Le télescope JWST les a observés dans l’amas du Trapèze situé au centre de la nébuleuse d’Orion, dans la constellation d’Orion. 540 objets de masse Jupiter ont été observés, parmi lesquels 40 systèmes binaires et 2 systèmes triples formés par des exoplanètes Jupiter séparées de moins d’une seconde d’arc (390 UA, unités astronomiques). Le nom JuMBO a été inventé (Objets binaires de masse Jupiter) pour ces surprenants systèmes binaires formés de deux corps de masses comprises entre 3 et 7 masses de Jupiter. Aucun des modèles de formation du système stellaire, qui prédisent l’éjection des exoplanètes jupitériennes, ne prédit l’éjection des JuMBO. Peut-être devons-nous rechercher de nouvelles hypothèses sur la formation et l’éjection de ces systèmes binaires.

Le Trapezium Cluster a été observé à travers une mosaïque de 700 images obtenues avec l’instrument NIRCam du JWST. Dans cette région, à environ 1 400 années-lumière de la Terre, on observe des milliers de jeunes étoiles dont la masse est comprise entre 0,1 et 40 fois la masse du Soleil ; Beaucoup d’entre elles sont entourées de disques denses de gaz et de poussière où pourraient se former des exoplanètes, mais pas toutes en raison du rayonnement ultraviolet intense et des vents forts des étoiles les plus massives de la région. La grande question est maintenant de savoir comment deux ou plusieurs exoplanètes de Jupiter peuvent être éjectées dans un seul système stellaire. Une autre question est de savoir si des exoplanètes doubles, non seulement des Jupiters doubles, mais aussi des exo-Terres doubles, existent dans de nombreux systèmes planétaires.

L’article est Samuel G. Pearson, Mark J. McCaughrean, « Jupiter Mass Binary Objects in the Trapezium Cluster », arXiv : 2310.01231. [astro-ph.EP] (02 octobre 2023), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.01231. . . . Plus d’informations dans Jonathan Amos, «Le télescope James Webb fait la découverte ‘JuMBO’ d’objets ressemblant à des planètes à Orion,» BBC, 02 octobre 2023.

La nébuleuse d’Orion est la région H II du ciel la plus célèbre et la mieux étudiée. Un berceau pour la formation d’étoiles massives, sur toute la gamme spectrale, depuis les types O très massifs jusqu’aux naines M, en passant par les naines brunes substellaires et de nombreux objets de masse planétaire. Son noyau le plus interne, le Trapezium Cluster, est la région de la plus forte densité pour ces objets (jusqu’à 50 000 étoiles par parsec cube). Pour toutes ces raisons, le Trapezium Cluster est le laboratoire idéal pour étudier la formation des étoiles et des planètes. Les objets substellaires en dessous de la limite de masse pour la consommation d’hydrogène (0,075 M⊙, masses stellaires) sont appelés objets de masse stellaire (PMO) ; Lorsqu’ils sont jeunes, ces objets sont lumineux et faciles à détecter, car ils libèrent de l’énergie gravitationnelle en se contractant ; ainsi les naines brunes connaissent des périodes de fusion du deutérium. Les objets substellaires dont la masse est inférieure à 13 masses de Jupiter sont appelés planètes Jupiter (la masse de Jupiter est de 0,00095 masse solaire).

L’amas du Trapèze abrite une riche population de naines brunes et d’objets de masse planétaire (la détection d’objets dont la masse est inférieure à 3 masses de Jupiter est actuellement presque impossible). Le télescope JWST a été utilisé pour explorer cette région avec sa caméra proche infrarouge (NIRCam) : un total de 34,9 heures d’observation entre le 26 septembre et le 2 octobre 2022, réparties en 12 filtres : F115W, F140M, F162M, F182M, F187N. , F212N, F277W, F300M, F335M, F360M, F444W et F470N. Les jupitérines ont des températures effectives comprises entre 890 et 2 520 K, avec des pics dans leur spectre compris entre 1 et 3,3 µm. Grâce aux filtres JWST, de larges raies d’absorption moléculaire de H₂O, CH₄ et CO peuvent être observées, confirmant le caractère planétaire de ces objets.

540 candidats pour des objets de masse planétaire ont été identifiés dans l’amas du Trapèze, avec des masses inférieures à 13 masses de Jupiter. Le candidat de masse la plus basse a 0,6 masse de Jupiter, soit 2 masses saturniennes. Il est prévu d’obtenir à l’avenir la spectroscopie NIRSpec d’un grand nombre de ces candidats. À l’heure actuelle, les informations sur sa composition en H₂O, CH₄ et CO ne me semblent pas très pertinentes (car elles comportent une grande incertitude, notamment pour les exoplanètes de plus faible masse). La grande surprise a été de constater que 9% des candidats sont des systèmes binaires (ce terme est utilisé pour désigner deux corps ou plus). Selon les modèles théoriques de la formation des systèmes planétaires, ce nombre serait négligeable. Les JuMBO sont une surprise en physique exoplanétaire.

Dans les première et deuxième figures de cette pièce, cinq JuMBO se détachent dans une petite région de l’amas du Trapèze qui ont des masses comprises entre 3 et 7 masses de Jupiter et, par conséquent, des températures effectives comprises entre 900 et 1200 K. Les lignes d’absorption de H₂O et CH₄ dans les filtres NIRCam (les futurs téléspectateurs NIRSpec le confirmeront). Pourraient-ils être de faux alignements dans le ciel ? Selon les auteurs, compte tenu de la densité des PMO observées, on s’attend à ce qu’il n’y ait qu’environ 3,1 alignements parasites parmi plus de 40 JuMBO observés. Des études statistiques indépendantes devront confirmer ces chiffres.

Les JuMBO ont des séparations comprises entre ∼25 et 390 UA, ce qui est considérablement plus grand que la séparation moyenne dans les systèmes binaires naines brunes, qui culmine à ∼4 UA. Mais comme la méthode utilisée ne peut détecter que des séparations supérieures à 25 UA, on ne peut exclure l’existence d’une population supplémentaire de JuMBO avec des orbites plus rapprochées. De plus, dans les JuMBO, les masses des Jupiteriennes ont tendance à être très différentes les unes des autres, alors que dans les binaires naines brunes, les masses sont généralement très similaires les unes aux autres.

Bref, on ne sait pas comment se forment les JuMBO et comment ils sont éjectés des systèmes planétaires de leurs étoiles. Une meilleure caractérisation de ces systèmes est nécessaire (grâce aux spectres NIRSpec, cela sera réalisé). De plus, de nouvelles simulations de la formation de systèmes planétaires sont nécessaires, en mettant l’accent sur la recherche simultanée de la cause de l’éjection de deux planètes gazeuses. Peut-être que des systèmes binaires peuvent se former entre les planètes et que des Terres doubles existent autour de certaines étoiles, mais des études futures sont nécessaires pour comprendre leur formation. Sans aucun doute, une nouvelle surprise du JWST qui soulève plus de questions que de réponses. La science est passionnante.