(Dés)alignement entre les exoplanètes et les étoiles binaires

Titre: Un alignement possible entre les orbites des systèmes planétaires et leurs compagnons binaires visuels

Auteurs: Sam Christian, Andrew Vanderburg, Juliette Becker, et al.

Institution des premiers auteurs : Département de physique et Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, États-Unis

Statut: Publié le 31 janvier 2022 sur ArXiv. Accepté pour publication dans AJ

La plupart des étoiles de la galaxie ont des compagnons binaires et la plupart des étoiles hébergent des planètes. On le sait au moins depuis la très réussie mission Kepler, qui a trouvé un nombre incroyable d’exoplanètes depuis son lancement en 2009. Cela implique naturellement que de nombreuses étoiles des systèmes binaires hébergeront elles-mêmes des planètes, ce qui soulève des questions intéressantes sur la façon dont les planètes se forment autour. les étoiles et interagir avec elles. Ainsi, les auteurs d’aujourd’hui étudient dans quelle mesure les orbites des binaires stellaires sont (mal) alignées avec les planètes en orbite autour de l’une des étoiles.

Comment les systèmes binaires stellaires peuvent-ils se former ?

Il existe deux manières principales de former un système stellaire binaire. Soit, les deux étoiles se forment quelque peu indépendamment l’une de l’autre dans un noyau de nuage moléculaire géant, et sont ensuite capturées sur une orbite binaire. Cela laisserait la direction dans laquelle ils tournent indépendamment l’une de l’autre, puisque l’axe de rotation stellaire initial est déterminé par les mouvements turbulents aléatoires dans le nuage moléculaire. Ou, les étoiles binaires se forment à partir du même disque via une fragmentation turbulente. Cela laisserait les deux étoiles tourner exactement dans la même direction, et donc alignées l’une avec l’autre.

Maintenant, puisque les planètes se forment dans des disques protoplanétaires, qui sont alignés avec la direction de rotation initiale de l’étoile centrale, l’inclinaison d’une orbite exoplanétaire devrait correspondre à la direction de rotation initiale de l’étoile (au moins en excluant les autres effets dynamiques). Ainsi, comprendre le degré de (dés)alignement entre les orbites planétaires et les orbites binaires nous permet de mettre des contraintes utiles sur les processus de formation binaire, comment ils varient avec les propriétés stellaires et l’importance des interactions dynamiques dans les systèmes binaires.

Figure 1 Schéma des orbites des systèmes étudiés. L’exoplanète (point orange) détectée par TESS (ligne de visée en vert) est en transit, elle aura donc toujours une inclinaison relative de 90 degrés. L’étoile secondaire orbite (ellipse turquoise) l’étoile primaire (point bleu au centre) et l’exoplanète. Figure 1 dans l’article.

Observations avec TESS et Gaia

Mesurer l’inclinaison relative entre l’orbite binaire et l’orbite planétaire est une tâche difficile et n’a été rendue possible que grâce aux progrès récents de l’astronomie d’observation. Les auteurs d’aujourd’hui utilisent deux principaux télescopes spatiaux, le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), exploité par la NASA, et Gaia, exploité par l’ESA. TESS utilise la méthode des transits pour identifier une multitude d’exoplanètes candidates, tandis que Gaia peut effectuer des mesures astrométriques précises (mouvement et position des étoiles) des systèmes binaires proches. Les auteurs de l’article d’aujourd’hui ont croisé les deux bases de données et sont arrivés à un échantillon organisé de 67 systèmes binaires contenant chacun une exoplanète en transit. Pour qu’une planète soit détectable avec la méthode de transit, la planète doit passer devant l’étoile hôte par rapport au vaisseau spatial TESS. Cela signifie que toutes les planètes de l’échantillon auront une inclinaison de 90 degrés avec leur étoile hôte. La configuration orbitale d’un tel système est illustrée à la Fig. une.

Pour éviter les effets de sélection, les auteurs ont comparé leur population à un échantillon témoin de systèmes binaires qui n’affichent pas de signal de transit, donc soit ils n’hébergent pas de planète, soit ils contiennent une planète d’inclinaison inconnue. Les propriétés stellaires des échantillons de contrôle ont été choisies de telle sorte qu’elles correspondent à peu près aux statistiques de population des 67 systèmes avec des planètes.

Histogramme des alignements.  L'échantillon de contrôle contient beaucoup plus de systèmes alignés que de systèmes non alignés.
Figure 2: Histogramme des alignements des binaires contenant les exoplanètes (bleu) et l’échantillon témoin (orange). Les bacs à gauche du tracé correspondent à des systèmes de planètes alignés, tandis que les bacs à droite du tracé représentent des systèmes mal alignés. Les lignes pointillées noires indiquent à quoi ressemblerait l’histogramme si les orbites binaires étaient distribuées de manière aléatoire. Notez qu’en raison de la géométrie, les systèmes de bord sont plus susceptibles d’être observés que les systèmes de face. Cet effet est pris en compte en prenant le sinus de l’inclinaison relative. Figure 8b dans l’article.

Les planètes ont tendance à s’aligner sur leurs compagnons binaires

Les auteurs calculent l’inclinaison relative donnée par la différence d’inclinaison planétaire (qui est toujours de 90 degrés) et l’inclinaison stellaire du binaire mesuré par Gaia. figue. La figure 2 montre un histogramme comparant les inclinaisons relatives des deux populations de systèmes. Si les orbites binaires étaient distribuées de manière aléatoire par rapport à l’orbite de l’exoplanète (comme ce serait le cas si, par exemple, les binaires se formaient indépendamment dans un nuage moléculaire géant), alors, tous les bacs de l’histogramme seraient de hauteur égale. Cependant, il y a beaucoup plus de binaires alignés avec l’exoplanète (inclinaison relative de zéro (côté gauche du tracé)) par rapport aux planètes mal alignées (voir les bacs bleus sur la Fig. 2). Cela indique que soit les planètes se sont effectivement formées dans le même plan de disque primordial que les deux étoiles, soit que les effets dynamiques tout au long de l’évolution ont forcé la planète dans une configuration alignée avec le système stellaire binaire.

Fait intéressant, l’échantillon de contrôle présente également une légère préférence pour les systèmes de bord par rapport aux systèmes de face, même lorsque le biais géométrique est soustrait. Cela se traduit par plus de cases oranges sur le côté gauche de la Fig. 2 par rapport au côté droit. Les auteurs contribuent à cela aux biais de sélection et déclarent que l’alignement des binaires qui hébergent les planètes est significatif.

Pourquoi les systèmes sont-ils alignés ?

Intuitivement, on pourrait penser que plus la séparation binaire est large, moins il devient probable qu’ils se soient formés à partir du même disque et représentent ainsi un alignement. En effet, les auteurs constatent que l’alignement diminue avec la séparation binaire. Fait intéressant, il existe encore un alignement significatif entre le binaire et le compagnon planétaire bien au-delà de la taille du disque primordial, ce qui rend la possibilité qu’un tel système formé à l’origine soit aligné assez improbable. Les auteurs soutiennent que le mécanisme le plus susceptible d’expliquer cet alignement surprenant de larges binaires est que le disque protoplanétaire autour de l’étoile primaire est tordu et déformé par l’influence du binaire à proximité. Cependant, pour comprendre de manière concluante l’origine de l’alignement binaire large, les auteurs préconisent d’augmenter la taille de leur échantillon. Cela éclairerait non seulement les processus de formation binaire, mais permettrait également des déclarations statistiques sur la corrélation entre l’alignement et les propriétés stellaires et planétaires.

astrobite édité par Mark Popinchalk

Crédit image en vedette : NASA

À propos de Konstantin Gerbig

Je suis doctorant en astronomie à l’université de Yale. Je m’intéresse à la théorie des (exo)planètes et des disques protoplanétaires et j’en fais des simulations hydrauliques. J’aime aussi la musique, ainsi que danser la salsa et le tango.

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