L'absence d'étoile proche permet d'observer directement son rayonnement sans être ébloui par un astre des milliers ou millions de fois plus lumineux. Elle constitue ainsi un véritable laboratoire naturel pour l'étude des jeunes planètes géantes.
1. Typologie
PSO J318.5−22 fut identifiée grâce aux données du relevé Pan-STARRS1, à Hawaï. Son spectre particulièrement rouge attira rapidement l'attention des astronomes. L'objet ressemble davantage aux jeunes planètes géantes directement photographiées autour d'autres étoiles qu'aux naines brunes ordinaires [1].
Il appartient au groupe mouvant de Beta Pictoris, une association de jeunes étoiles partageant une origine et un mouvement communs. Les estimations modernes donnent à ce groupe un âge d'environ 20 à 25 millions d'années [2]. Or, connaître l'âge d'un objet isolé permet de mieux appréhender ses caractéristiques.
Les modèles donnent ainsi à PSO J318.5−22 une masse d'environ 8 masses de Jupiter, un rayon proche de 1,4 à 1,5 rayon jovien et une température effective voisine de 1 100 à 1 200 K [3].
Elle est donc beaucoup plus chaude que Jupiter, malgré son qualificatif de planète « solitaire ». Cette chaleur ne provient pas d'une étoile : PSO J318.5−22 est extrêmement jeune et rayonne encore l'énergie accumulée lors de sa formation.
2. Planète errante ou petite naine brune ?
Peut-on toutefois parler de planète lorsque l'objet n'orbite autour d'aucune étoile ?
Une planète géante peut théoriquement être expulsée de son système par des interactions gravitationnelles avec d'autres planètes. Mais un objet de quelques masses joviennes pourrait également se former isolément, par effondrement d'un petit nuage de matière, selon un mécanisme apparenté à celui qui produit les étoiles et les naines brunes.
La nature exacte de la formation de PSO J318.5−22 n'est pas encore déterminée.
Pour cette raison, elle est davantage qualifiée d'objet libre de masse planétaire (free-floating planetary-mass object).
Les expressions planète errante, planète vagabonde ou rogue planet restent néanmoins largement employées, notamment lorsqu'une origine planétaire est envisagée. Depuis la découverte de PSO J318.5−22, es relevés par microlentille et les observations infrarouges ont révélé de nombreux autres candidats de masse planétaire ne possédant apparemment aucune étoile.
3. Une météo extraterrestre
En 2015, des astronomes ont constaté que sa luminosité variait périodiquement [4], et ont émis l'hypothèse selon laquelle ces variations seraient liées à une atmosphère couverte de nuages hétérogènes : en tournant sur elle-même, PSO J318.5−22 nous présenterait successivement des régions atmosphériques plus ou moins lumineuses, renseignant ainsi indirectement sur sa météo.
L'observation de ces variations à différentes longueurs d'onde [5] (avec Hubble et Spitzer) ont révélé des décalages entre les variations observées dans l'infrarouge proche et moyen. Différentes longueurs d'onde sondant différentes profondeurs de l'atmosphère, cela suggère une structure atmosphérique complexe où les formations nuageuses ne sont pas identiques à toutes les altitudes.
PSO J318.5−22 possède probablement d'épais nuages et brumes formant un ballet complexe dans une atmosphère de faible gravité.
4. Rotation
Les variations de luminosité ont également permis de mesurer sa rotation : PSO J318.5−22 effectue un tour sur elle-même en environ 8,5 heures [5][6] (à titre de comparaison, Jupiter effectue sa rotation en environ 9 h 56 min). Malgré son très jeune âge et son rayon encore supérieur à celui de Jupiter, cette planète solitaire est donc déjà un rotateur rapide.
5. Un modèle d'étude planétaire
Généralement, la lumière d'une étoile domine largement celles des exoplanètes situées à quelques dizaines d'unités astronomiques. PSO J318.5−22 n'ayant pas de tels géants à sa proximité, elle facilite l'observation de son spectre, et des variations lumineuses (et donc, par exemple, les caractéristiques de son atmosphère). La planète constitue ainsi une sorte de géante gazeuse de laboratoire, libre dans l'espace.
Depuis 2013, des objets de quelques masses joviennes ont été identifiés dans plusieurs jeunes associations et régions de formation stellaire, dont certaines possèdent des propriétés supplémentaires. Les observations du télescope James Webb ont par exemple révélé dans la nébuleuse d'Orion des candidats de masse jovienne évoluant par paires, les étonnants Jupiter-Mass Binary Objects ou JuMBOs [7].
Autrefois présentée comme une étrange « planète solitaire », PSO J318.5−22 apparaît donc aujourd'hui comme l'un des premiers représentants d'une population potentiellement plus importante, utile dans l'étude de la formation des planètes, et de la frontière séparant planètes et naines brunes.
L'origine et l'abondance de ces mondes sans soleil restent cependant largement débattues.
Caractéristiques de PSO J318.5−22
Bibliographie et références
- [1] Liu, M. C. et al. (2013). The Extremely Red, Young L Dwarf PSO J318.5−22: A Free-Floating Planetary-Mass Analog to Directly Imaged Young Gas-Giant Planets. The Astrophysical Journal Letters, 777, L20. Article de découverte et de caractérisation initiale de PSO J318.5−22.
- [2] Lee, J. et al. (2024). Revisiting the membership, multiplicity, and age of the Beta Pictoris Moving Group in the Gaia era. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 528, 4760–4781. Réévaluation moderne de l'âge et des membres du groupe mouvant de Beta Pictoris.
- [3] Allers, K. N. et al. (2016). The Radial and Rotational Velocities of PSO J318.5338−22.8603, a Newly Confirmed Planetary-Mass Member of the β Pictoris Moving Group. The Astrophysical Journal, 819, 133. Confirmation de son appartenance à Beta Pictoris et estimation d'une masse d'environ 8,3 M_J, d'un rayon d'environ 1,46 R_J et d'une température effective proche de 1 130 K.
- [4] Biller, B. A. et al. (2015). Variability in a Young, L/T Transition Planetary-Mass Object. The Astrophysical Journal Letters, 813, L23. Mise en évidence de variations attribuées à une couverture nuageuse hétérogène.
- [5] Biller, B. A. et al. (2018). Simultaneous, Multi-Wavelength Variability Characterization of the Free-Floating Planetary Mass Object PSO J318.5−22. The Astronomical Journal, 155. Observations simultanées avec Hubble et Spitzer mettant en évidence la structure verticale complexe de l'atmosphère et une rotation d'environ 8,6 heures.
- [6] Vos, J. M. et al. (2019). A Search for Variability in Exoplanet Analogues and Low-Gravity Brown Dwarfs. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 483, 480–502. Mesure affinée de la période de rotation : 8,45 ± 0,05 heures.
- [7] Pearson, S. G. & McCaughrean, M. J. (2023). Observations JWST de la nébuleuse d'Orion ayant révélé une population d'objets libres de masse jovienne, dont plusieurs systèmes binaires surnommés JuMBOs.
