Un candidat pour la cinquième planète de HR 8799
Contexte
Le système HR 8799 sert depuis longtemps de banc d'essai pour l'imagerie directe des exoplanètes. Les quatre géantes connues orbitent loin de l'étoile, à des distances allant de 15 à 70 unités astronomiques, et leurs orbites semblent liées par des résonances qui empêchent le système de se disloquer. Les travaux voisins dans les archives portent sur la composition des atmosphères d'exoplanètes, la recherche de satellites autour de Jupiter chauds et la vérification de candidats en sphères de Dyson. Cet article s'inscrit dans la même veine d'observations de haute précision des environs proches des étoiles, mais il vise la limite la plus interne du système, jusqu'ici invisible.
Méthodes
Les données ont été obtenues le 3 août 2023 avec l'instrument NIRISS en mode d'interférométrie à masque d'ouverture (AMI). Le masque à sept trous placé dans le plan pupillaire du télescope produit une figure d'interférence dont on extrait les phases de fermeture, des grandeurs insensibles aux tremblements de l'optique. Le traitement a été mené par le pipeline Amigo, qui construit un modèle physique complet du trajet de la lumière, des photons jusqu'aux pixels du détecteur, en incluant l'effet « plus brillant, plus sombre » (Brighter-Fatter Effect). Les positions des planètes ont été affinées par un échantillonneur bayésien de type Monte Carlo hamiltonien, et la compatibilité orbitale a été vérifiée avec le logiciel Octofitter en intégrant les données de Gaia et d'Hipparcos.
Résultats
Après soustraction des signaux des quatre planètes connues, un pic de ΔlnL≈8 est apparu dans la carte de vraisemblance résiduelle, à 150 millisecondes d'arc au nord de l'étoile. Le contraste de la source atteint 2,2×10⁻⁴ dans le filtre F380M, ce qui ne dépasse que légèrement le seuil de 3σ. L'ajustement orbital donne pour le candidat f un demi-grand axe d'environ 7 unités astronomiques et une masse de 1,7 masse de Jupiter, bien que cette dernière valeur soit mal déterminée en raison d'une seule époque d'observation. La position du candidat est compatible avec l'une des configurations résonantes stables prédites antérieurement.
Implications
Ce travail se distingue des études voisines par la première application d'une modélisation directe complète du détecteur NIRISS pour atteindre un contraste de 10⁻⁴ à une distance angulaire inférieure à la limite de diffraction. Cela ouvre l'accès aux zones internes des systèmes planétaires, auparavant masquées par des erreurs systématiques. Si le candidat se confirme, HR 8799 deviendra le premier système doté de cinq planètes imagées directement et offrira une occasion rare de tester les théories de la dynamique résonante.
Développements futurs
De futures observations avec plusieurs filtres NIRISS et un décalage subpixel du télescope permettront de mesurer le mouvement propre du candidat et de confirmer son lien physique avec l'étoile. Les nouvelles données de Gaia DR4 affineront le mouvement réflexe de l'étoile et aideront à déterminer la masse de la cinquième planète. Le développement du pipeline Amigo, avec une calibration actualisée du détecteur, promet une réduction supplémentaire des erreurs systématiques.
Impact
La méthode est applicable à la recherche de faibles compagnons autour de n'importe quelle étoile brillante, y compris les naines brunes et les planètes massives. Elle améliorera aussi la calibration d'autres modes de NIRISS et de NIRCam.
Prochaines étapes
Répéter les observations de HR 8799 dans les filtres F380M, F430M et F480M avec un dithering subpixel. En parallèle, il convient de mener une vérification indépendante du candidat avec l'interféromètre au sol GRAVITY+.
Problèmes ouverts clés
Pour la planétologie, la question clé est de savoir comment se forment et survivent les systèmes abritant plusieurs planètes massives sur de larges orbites. Le candidat f, s'il est en résonance 3:1 avec la planète e, constituera une confirmation directe du modèle de piégeage résonant. Cela relie ce travail à un problème non résolu : l'origine de l'architecture des systèmes exoplanétaires.
Le système HR 8799 a été photographié pendant plus de 25 ans, mais la cinquième planète se cachait à seulement 0,15 seconde d'arc de l'étoile : c'est comme distinguer une pièce de monnaie à 200 kilomètres de distance.
Dans le roman « Fiasko » de Stanisław Lem, des astronautes cherchent une planète autour d'une étoile, cachée par un puissant rayonnement. Ici, le défi est similaire : un objet faible se perd dans l'éclat de l'étoile, et il faut une technique particulière pour l'en extraire.
Chiffres clés
- Distance du candidat à l'étoile: 150 millisecondes d'arc (environ 7 ua)
- Contraste dans le filtre F380M: 2,2×10⁻⁴
- Temps d'exposition des observations: 1553 secondes
- Masse du candidat (estimation médiane): 1,7 masse de Jupiter
- Nombre de planètes connues dans le système: 4