Astronomie: découverte d'un anneau autour d'une planète naine située à la limite du système solaire

Un anneau autour d'une planète naine située à la limite du système solaire a été mis au jour par une équipe internationale d’astronomes.
L'orbite de l’anneau autour de l’objet transneptunien Quaoar est beaucoup plus éloignée que celle des autres systèmes d'anneaux connus, ce qui remet en question les théories actuelles sur la formation de tels systèmes.

Des anneaux inattendus

Les découvertes inattendues d’anneaux autour des objets Chariklo (2013) et Haumea (2017) ont mené à un constat : des anneaux peuvent se trouver autour de petits objets du système solaire externe, et ne sont pas réservés uniquement aux quatre planètes géantes de notre système.

Un cas particulier

Des observations menées entre 2018 et 2021 à l’aide du télescope spatial CHEOPS de l’Agence spatiale européenne (ESA) et d’autres instruments terrestres ont permis de détecter autour de Quaoar un anneau d’un rayon de 4100 km.

La présence d'un anneau à une distance de près de sept fois et demie le rayon de Quaoar est un mystère à résoudre pour les astronomes, affirme l’ESA dans un communiqué. Pourquoi ce matériau n'a-t-il pas fusionné en une petite lune?, s’interroge l’ESA.

La détection a été rendue possible lorsque Quaoar est passé devant une succession d'étoiles lointaines, bloquant brièvement leur lumière sur son passage, un phénomène connu sous le nom d'occultation.

L'observation de la baisse de la lumière de l'étoile occultée fournit des informations sur la taille et la forme de l'objet, et peut révéler si cet objet possède une atmosphère. Dans le cas de Quaoar, ce sont des grains plus petits avant et après l'occultation qui ont permis d’établir la présence de matière dans son orbite.

Quaoar est un objet transneptunien dont l'orbite se trouve, entièrement ou pour la majeure partie, au-delà de celle de la planète Neptune, qui se trouve dans la ceinture de Kuiper ou le nuage d'Oort.

 
À l’heure actuelle, les astronomes en ont découvert environ 3000. Les plus connus d’entre eux sont Pluton et Éris, qui sont aussi considérés comme des planètes naines.

Quaoar, avec son rayon estimé à 555 km, est le septième de ces objets connus en grosseur. Il possède même une petite lune appelée Weywot, d'un rayon d'environ 80 km.

L'étude de ces planètes naines est difficile en raison de leurs petites tailles et de leurs distances. Quaoar elle-même tourne autour du Soleil, à près de 44 fois la distance Soleil-Terre.

Pour réussir à étudier ces objets, les occultations sont des outils précieux, mais jusqu'à récemment, il était difficile de prévoir exactement quand et où elles se produisent, note le communiqué de l’ESA.

« Pour qu'une occultation se produise, l'alignement entre l'objet occulté, l'étoile et le télescope d'observation doit être extrêmement précis. Dans le passé, il était presque impossible de répondre aux exigences de précision strictes pour être certain de voir un événement. »

— Une citation de  Communiqué de l’ESA

Réussir à détecter et prédire de telles occultations est l’objectif du projet Lucky Star du Conseil européen de la recherche, coordonné par le Français Bruno Sicardy, de l'Université de la Sorbonne et de l'Observatoire de Paris. Ce projet a été mis sur pied pour coordonner leur observation à l’aide d’instruments professionnels et amateurs autour du monde.

L'une des personnes impliquées dans Lucky Star est l’Italienne Isabella Pagano, de l'observatoire astrophysique de Catane. La scientifique et ses collègues ont eu l’idée d’utiliser CHEOPS, dont la mission première est d’observer des exoplanètes et leurs atmosphères, pour observer une occultation.

Dans un premier temps, l'équipe a tenté d'observer une occultation de Pluton, sans succès.

Une tentative menée avec Quaoar a été plus fructueuse : l’équipe a réalisé la toute première détection d'une occultation stellaire par un objet transneptunien depuis l'espace. Cette occultation a permis de détecter l’anneau de Quaoar, une observation qui a ensuite été confirmée par des télescopes terrestres.

L'anneau de Quaoar est beaucoup plus petit que ceux de Saturne. […] Ce qui rend l'anneau de Quaoar unique est l'endroit où il se trouve par rapport à Quaoar lui-même, note l’ESA.

La limite de Roche

Il faut savoir que chaque objet céleste est doté d'un champ gravitationnel qui mène à la désintégration de tout autre objet qui s'en approche.

Ce phénomène est connu sous le nom de limite de Roche. Il a été calculé par le mathématicien et astronome français Édouard Roche en 1850. Selon la théorie, des systèmes d'anneaux denses ne peuvent exister qu’à l'intérieur de cette limite. C’est le cas pour Saturne, Chariklo et Haumea. À l’extérieur de cette limite, la matière est appelée à former de petites lunes en quelques décennies.

Mais l’anneau de Quaoar se situe bien au-delà de la limite de Roche. Pourquoi? Les premières analyses laissent à penser que les températures glaciales de Quaoar joueraient un rôle en empêchant les particules de glace de coller ensemble, mais des recherches supplémentaires sont nécessaires.

Cette hypothèse, même si elle est toujours débattue, a été évoquée pour expliquer la stabilité des arcs de Neptune. Mais elle pourrait tout aussi bien résulter d’un mécanisme complètement différent, par exemple d’un processus interrompu d’accrétion de l’anneau en satellite, comme l'explique le communiqué de l’ESA.

Dans tous les cas, le constat est sans appel. L’anneau de Quaoar montre un comportement vis-à-vis de la limite de Roche qui n’a jamais été observé auparavant.

Les astronomes tenteront dans les prochaines années de comprendre comment l’anneau de Quaoar s’est formé. D’ici là, le projet Lucky Star continuera d'étudier Quaoar et d'autres objets à l’aide de l’occultation d’étoiles lointaines afin de mieux cerner leurs caractéristiques physiques, mais aussi de savoir combien d'autres possèdent aussi des systèmes d'anneaux.