Naines brunes

Naines brunes et exoplanètes

Les naines brunes forment une classe d’objets à mi-chemin entre les planètes géantes, comme Jupiter, et les étoiles. Tous les objets dont la masse est supérieure à environ 75 fois celle de Jupiter (7 % de la masse du Soleil) sont des étoiles et brûlent surtout de l’hydrogène tout au long de leur vie. Pendant cette phase de combustion nucléaire paisible, leur luminosité change très peu. Dans le cas des étoiles de faible masse (moins de 50 % de la masse du Soleil), elles conservent le même flux pendant plusieurs dizaines de milliards d’années, soit bien plus que l’âge actuel de l’univers.

Les objets dont la masse est inférieure à ce seuil (75 fois la masse de Jupiter) se refroidissent donc inexorablement, à partir d’une température de l’ordre de 3000 °C, jusqu’à la température ambiante d’une pièce, en quelques milliards d’années. Les objets les plus légers (moins de 13 fois la masse de Jupiter) sont appelés planètes (géantes), tandis que les plus massifs (13-75 fois la masse de Jupiter) font partie de la classe des naines brunes.

Outre cette subdivision en apparence arbitraire, quelques autres points permettent de distinguer les naines brunes des planètes géantes. Ainsi, on trouve très peu de naines brunes en orbite serrée autour des étoiles, alors que les planètes sont très courantes. Aussi, on trouve plusieurs naines brunes dans le voisinage solaire (1 étoile sur 6 est une naine brune), tandis que les planètes « orpheline » (sans étoile) semblent beaucoup plus rares. CFBDSIR2149, une planète sans étoile découverte récemment par des chercheurs de l’Institut dans le cadre d’une collaboration avec des chercheurs français, vient cependant brouiller la ligne de démarcation entre les planètes et les naines brunes.

En général, les naines brunes sont des astres isolés, pour lesquels il est relativement aisé d’obtenir un spectre détaillé. Ce n’est pas le cas des exoplanètes situées tout (trop) près de leur étoile. Puisque le refroidissement des naines brunes est semblable à celui des planètes géantes et que de nombreux phénomènes physiques qui gouvernent leur atmosphère sont communs aux deux types d’objets, l’étude des naines brunes permet de construire et de tester des modèles d’atmosphère aussi utilisés pour étudier les exoplanètes. L’équipe de l’Institut a mené et a participé à diverses études sur les naines brunes, notamment la détection de naines brunes dans le voisinage du Soleil (exemples : 1, 2, 3, 4, 5, 6), l’étude de leur variabilité (exemples : 1, 2, 3, 4), la découverte de naines brunes dans des systèmes binaires, tant étoile/naine brune que naine brune/naine brune (exemples : 1, 2, 3, 4), et la découverte de naines brunes jeunes (exemples : 1, 2, 3).

Nuageux avec éclaircies

Des travaux réalisés à l’Observatoire du Mont-Mégantic ont permis de détecter pour la première fois la signature de nuages à la surface d’une naine brune froide. Les naines brunes ont des périodes de rotation relativement courtes, de l’ordre de quelques heures. Si des nuages sont répartis de manière irrégulière à la surface d’une naine brune, il est alors possible d’observer des variations périodiques de sa brillance au cours de sa rotation.

Figure 1. Flux de SIMP0136+0933 au cours de 4 nuits étalées sur 1 semaine. Une variabilité est clairement observable, signe de la présence de nuages à la surface de cette naine brune de 900 °C.

En observant la naine brune SIMP0136+0933 pendant plusieurs nuits, un objet ayant une température de 900 °C, nous avons pu détecter une variation de son flux toutes les 2, 4 h, signe de la présence de nuages. De plus, la forme de la courbe de lumière évoluait de nuit en nuit (voir la figure 1), signe que les modèles nuageux à la surface de SIMP0136+0933 changent de forme au bout de quelques jours. Cette découverte publiée en 2009 a mené à la recherche de variabilité similaire sur d’autres objets, en collaboration, entre autres, avec des chercheurs de Toronto (exemples : 1, 2). Ces résultats ont permis d’établir que la variabilité des naines brunes froides vient de la présence de nuages de poussières (oxyde de titane, hydrure de fer) dans lesquels des trouées sont présentes, ce qui permet d’apercevoir par endroit les régions beaucoup plus chaudes et dépourvues de poussières situées sous les nuages.

Ce type de phénomène n’a pas encore été observé sur des planètes géantes, mais il est probable que les instruments à bord du télescope JWST permettront de détecter la signature de motifs nuageux à la surface des planètes géantes comme celles de HR8799.