GJ 3090 b tourne à contre-courant de son étoile, à 73 années-lumière : les astronomes viennent de comprendre à quel point elle a quitté le rang

Une exoplanète vient de bousculer un principe que l’on croyait presque universel : les mondes tournent dans le même sens que l’étoile qui les héberge. GJ 3090 b, une sous-Neptune située à 73 années-lumière de la Terre dans la constellation du Phénix, fait exactement l’inverse. Une équipe de l’Université de Genève vient de mesurer avec précision à quel point cette planète a pris le contre-pied de son étoile, et le résultat dépasse tout ce qu’on avait observé jusqu’ici autour d’une naine rouge.

Une planète qui tourne à l’envers, littéralement

L’exoplanète, désignée GJ 3090 b et située à environ 73 années-lumière, possède une orbite fortement désalignée. En fait, elle tourne dans le sens opposé à la rotation de son étoile hôte. Pour mesurer cet angle, les astronomes utilisent une valeur appelée obliquité, notée psi. Elle indique l’écart entre le plan orbital de la planète et l’équateur de son étoile.

Le chiffre obtenu ici est vertigineux. Grâce à la technique RM revolutions, l’équipe a établi que la planète est sur une orbite rétrograde avec une obliquité 3D dérivée de ψ = 136 (+24/-18) degrés. Pour donner une idée de l’échelle : un angle de 90 degrés correspondrait à une orbite polaire, passant au-dessus des pôles de l’étoile ; tout ce qui dépasse 90 degrés est rétrograde. À 136 degrés, GJ 3090 b est plus proche d’être complètement à l’envers que simplement de travers.

Notre propre système solaire donne la mesure de l’anomalie. Dans notre Système solaire, les planètes orbitent à environ 7 degrés de l’équateur du Soleil, et chacune d’elles va dans le même sens que la rotation du Soleil. GJ 3090 b, elle, s’en écarte de plus de 19 fois cette marge habituelle.

Comment les chercheurs ont mesuré cet angle impossible

Détecter un tel désalignement sur une planète aussi petite relevait jusqu’ici de l’exploit technique. Les chercheurs ont observé six transits avec l’instrument NIRPS, dont quatre simultanément avec le spectrographe HARPS, collectant 193 spectres sur environ 23 heures. Plutôt que de chercher l’oscillation classique dans la vitesse globale de l’étoile, trop faible pour être détectée, ils ont utilisé une méthode appelée RM Revolutions qui analyse la lumière de la fine bande stellaire cachée derrière la planète à chaque instant.

Le principe repose sur un effet optique bien connu des astrophysiciens. Lorsqu’une étoile tourne sur son axe, l’hémisphère qui se rapproche de l’observateur paraît décalé vers le bleu, tandis que celui qui s’éloigne apparaît décalé vers le rouge. Une planète classique traversant le disque stellaire masque d’abord le côté bleu, créant un décalage rouge temporaire dans la courbe de lumière avant de revenir en arrière. Rien de tel ici. Pour GJ 3090 b, l’équipe a observé la séquence exactement inverse sur cinq passages distincts : elle a traversé l’hémisphère décalé vers le rouge en premier, suivi du côté bleu. Les calculs dérivés de ces décalages spectraux placent l’obliquité orbitale de la planète à environ 136 degrés par rapport à l’axe de rotation stellaire.

Ce record de précision n’est pas anodin. GJ 3090 b devient la plus petite planète autour d’une naine rouge dont on dispose d’une mesure d’inclinaison en trois dimensions complète. Un exploit rendu possible par la sensibilité de l’instrument utilisé à l’observatoire de La Silla, au Chili.

Le mystère du chaperon manquant

D’ordinaire, quand une planète se retrouve sur une orbite aussi tordue, les astronomes accusent un coupable bien identifié : un objet massif voisin qui, par son influence gravitationnelle, finit par faire basculer l’orbite d’une planète plus petite. C’est quelque chose que les scientifiques pourraient expliquer si GJ 3090 b avait un compagnon massif, que ce soit une planète géante gazeuse, une naine brune ou une autre étoile. Mais ce n’est pas le cas.

L’équipe a cherché ce compagnon fantôme, sans succès. Les chercheurs ne trouvent aucune preuve de compagnons planétaires externes massifs ou d’une binaire stellaire large, ce qui écarte les scénarios impliquant des perturbations gravitationnelles d’un corps massif et oriente plutôt vers un désalignement primordial du disque protoplanétaire. Une piste renforcée par un détail dynamique : la position même de la planète rend l’hypothèse classique difficile à tenir. L’orbite de GJ 3090 b, en tant que planète la plus interne du système, est difficile à concilier avec un mécanisme d’excitation d’excentricité de haute intensité déclenché par un compagnon planétaire ou stellaire massif éloigné, puisque ce processus agit principalement sur la ou les planètes les plus externes du système.

Yann Carteret, chercheur au département d’astronomie de l’Université de Genève, résume la surprise de l’équipe en une phrase. « À notre grande surprise, non seulement la planète GJ 3090 b est sur une orbite fortement désalignée, mais elle orbite également de manière rétrograde, dans la direction opposée à la rotation de son étoile », a-t-il déclaré. Léna Parc, autre membre de l’équipe genevoise, souligne quant à elle la prouesse instrumentale derrière cette découverte. « C’est la performance de NIRPS dans l’infrarouge qui a permis d’atteindre la précision nécessaire pour mesurer l’angle entre le plan orbital de la planète et le plan équatorial de l’étoile pour une planète aussi petite », a-t-elle précisé.

Un disque qui serait né de travers

Sans compagnon massif pour expliquer le chaos, les chercheurs se tournent vers une hypothèse plus originale : le problème ne viendrait pas d’un choc ultérieur, mais de la naissance même du système. L’équipe propose une accrétion secondaire tardive d’un second disque autour de GJ 3090, un disque qui ne serait pas censé être aligné avec l’axe de rotation stellaire, suivie d’une migration pilotée par le disque, comme mécanisme le plus probable pour expliquer l’architecture observée. En clair, l’étoile aurait capturé un deuxième nuage de matière après la formation de son disque initial, un nuage arrivé sous un angle complètement différent.

Ce cas reste rarissime dans le catalogue des exoplanètes connues. Ce système planétaire fait partie des cinq seuls jamais observés avec un psi supérieur à 70 degrés, mais ce qui est vraiment différent ici, c’est que ces autres systèmes possèdent un objet massif qui semble clairement en être à l’origine. GJ 3090 b, elle, n’a personne à blâmer. Une singularité qui pourrait bien forcer les astronomes à revoir leurs modèles de formation planétaire autour des naines rouges, ces étoiles qui concentrent pourtant la majorité des systèmes planétaires connus dans notre galaxie.

Sources : arxiv.org | aanda.org