Les naines brunes sont parfois appelées étoiles ratées, car elles se forment comme des étoiles par effondrement gravitationnel, mais ne gagnent jamais suffisamment de masse pour déclencher la fusion nucléaire. Les plus petites naines brunes peuvent chevaucher en masse celles des planètes géantes.
Les naines brunes sont des objets qui chevauchent la ligne de démarcation entre les étoiles et les planètes . Ils se forment comme des étoiles, devenant suffisamment denses pour s’effondrer sous leur propre gravité, mais ils ne deviennent jamais suffisamment denses et chauds pour commencer à fusionner l’hydrogène et se transformer en étoile. Au bas de l’échelle, certaines naines brunes sont comparables à des planètes géantes , pesant à peine quelques fois la masse de Jupiter.
Les astronomes tentent de déterminer le plus petit objet pouvant se former à la manière d’une étoile. Une équipe internationale utilisant le télescope spatial James Webb NASA/ESA/CSA a identifié le nouveau détenteur du record : une minuscule naine brune flottant librement avec seulement trois à quatre fois la masse de Jupiter. "Une question fondamentale que l'on retrouve dans tous les manuels d'astronomie est la suivante : quelles sont les plus petites étoiles ? C'est à cela que nous essayons de répondre", a expliqué l'auteur principal Kevin Luhman de l'Université d'État de Pennsylvanie.
Pour localiser cette nouvelle naine brune, Luhman et sa collègue, Catarina Alves de Oliveira, ont choisi d'étudier l'amas d'étoiles IC 348, situé à environ 1 000 années-lumière de nous, dans la région de formation d'étoiles de Persée. Cet amas est jeune, âgé d'environ cinq millions d'années seulement. En conséquence, toutes les naines brunes seraient encore relativement brillantes en lumière infrarouge , rayonnantes à cause de la chaleur de leur formation.
L’équipe a d’abord photographié le centre de l’amas à l’aide de la NIRCam (caméra proche infrarouge) de Webb pour identifier les candidates naines brunes à partir de leur luminosité et de leurs couleurs. Ils ont suivi les cibles les plus prometteuses à l’aide du réseau de microobturateurs NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) de Webb.
La sensibilité infrarouge de Webb était cruciale, permettant à l'équipe de détecter des objets plus faibles que les télescopes au sol. De plus, la vision nette de Webb leur a permis de déterminer quels objets rouges étaient des naines brunes précises et lesquels étaient des galaxies à fond blobby.
Ce processus de vannage a conduit à trois cibles intrigantes pesant trois à huit masses de Jupiter, avec des températures de surface allant de 830 à 1 500 degrés Celsius. Le plus petit d’entre eux ne pèse que trois à quatre fois Jupiter, selon les modèles informatiques
. Expliquer comment une si petite naine brune a pu se former est théoriquement un défi. Un nuage de gaz lourd et dense possède suffisamment de gravité pour s’effondrer et former une étoile. Cependant, en raison de sa gravité plus faible, il devrait être plus difficile pour un petit nuage de s’effondrer pour former une naine brune, et cela est particulièrement vrai pour les naines brunes ayant la masse des planètes géantes.
"Il est assez facile pour les modèles actuels de créer des planètes géantes dans un disque autour d'une étoile", a déclaré Catarina Alves de Oliveira de l'ESA, chercheuse principale du programme d'observation. "Mais dans cet amas, il serait peu probable que cet objet se soit formé dans un disque, se formant plutôt comme une étoile, et trois masses de Jupiter sont 300 fois plus petites que notre soleil. Nous devons donc nous demander comment fonctionne le processus de formation des étoiles à des masses si petites ?"
En plus de fournir des indices sur le processus de formation des étoiles, les minuscules naines brunes peuvent également aider les astronomes à mieux comprendre les exoplanètes. Les naines brunes les moins massives chevauchent les plus grandes exoplanètes ; par conséquent, on s’attendrait à ce qu’ils aient des propriétés similaires. Cependant, une naine brune flottant librement est plus facile à étudier qu’une exoplanète géante puisque cette dernière est cachée dans l’éclat de son étoile hôte.
Deux des naines brunes identifiées lors de cette étude présentent la signature spectrale d'un hydrocarbure non identifié, une molécule contenant à la fois des atomes d'hydrogène et de carbone. La même signature infrarouge a été détectée par la mission Cassini de la NASA dans les atmosphères de Saturne et de sa lune Titan. On l'a également observé dans le milieu interstellaire, le gaz entre les étoiles.
Étant donné que les objets se situent bien dans la gamme de masse des planètes géantes, cela soulève la question de savoir s’il s’agit bien de naines brunes ou, en fait, de planètes voyou qui ont été éjectées des systèmes planétaires. Bien que l’équipe ne puisse pas exclure cette dernière hypothèse, elle affirme qu’il s’agit bien plus probablement de naines brunes que de planètes éjectées.
Une planète géante éjectée est peu probable pour deux raisons. Premièrement, de telles planètes sont généralement rares par rapport aux planètes de masse plus petite. Deuxièmement, la plupart des étoiles sont des étoiles de faible masse et les planètes géantes sont particulièrement rares parmi ces étoiles. En conséquence, il est peu probable que la plupart des étoiles de l'IC 348 (qui sont des étoiles de faible masse ) soient capables de produire des planètes aussi massives. De plus, comme l’amas n’a que cinq millions d’années, les planètes géantes n’ont probablement pas eu le temps de se former puis d’être éjectées de leur système.
La découverte d’autres objets de ce type contribuera à clarifier leur statut. Les théories suggèrent que les planètes voyou sont plus susceptibles d'être trouvées à la périphérie d'un amas d'étoiles, donc élargir la zone de recherche pourrait les identifier si elles existent dans IC 348.
Les travaux futurs pourraient également inclure des enquêtes plus longues permettant de détecter des objets plus faibles et plus petits. La courte enquête menée par l’équipe devait détecter des objets aussi petits que deux fois la masse de Jupiter. Des relevés plus longs pourraient facilement atteindre une masse de Jupiter.
Ces observations ont été prises dans le cadre du programme d'observation du temps garanti #1229. Les résultats ont été publiés dans The Astronomical Journal .
Plus d'informations : KL Luhman et al, A JWST Survey for Planetary Mass Brown Dwarfs in IC 348*, The Astronomical Journal (2023). DOI : 10.3847/1538-3881/ad00b7
Informations sur le journal : Journal astronomique