Autour de Tau Ceti : planètes disque de poussières et comètes

Wikipédia : Observable depuis l’Europe, Tau Ceti est située légèrement en dessous de l’équateur céleste, avec une déclinaison d’environ -16°. Aisément visible à l’œil nu, elle est répertoriée dans « L’Uranometria » réalisé par l’astronome allemand Johann Bayer au tout début du XVIIème siècle. Trois siècles plus tard, elle figure également dans le catalogue plus étendu de John Flamsteed. Historiquement Tau Ceti a été aussi cataloguée par les astronomes chinois, elle faisait partie de l’astérisme « Tiancang » ou « grenier céleste ».

Animée d’un mouvement propre élevé de deux secondes d’arc par an, indiquant sa proximité au soleil, c’est une étoile de type G, en orbite autour du centre galactique à une moyenne d’environ 32000 AL (trajectoire elliptique), et l’on a déduit sa vitesse tridimensionnelle de 37 km/s par rapport au Soleil. La période de rotation de Tau Ceti a été estimée à 34 jours, sa vitesse de rotation de 1 km/s est un calcul de la vitesse à l’équateur (veq) ainsi que de l’inclinaison de l’axe de rotation (i).

Tau Ceti possède un rapport d’abondance en fer par rapport à l’hydrogène trois fois moindre que celui observé pour le Soleil, ce qui indiquerait un âge d’environ 10 milliards d’années. Les raies d’absorption du spectre de l’étoile élargies par la pression de surface de l’étoile, ont permis de déterminer une gravité de surface de Tau Ceti, très proche de celle du Soleil. La largeur d’une raie dépend donc de la pression de surface de l’étoile, elle même fonction de la température et de la gravité de surface.

La luminosité de Tau Ceti est de 55 % celle du Soleil, sa chromosphère présente peu d’activité magnétique, caractéristiques d’une étoile stable. Avec des raies spectrales très étroites, Tau Ceti a une rotation et une turbulence faibles.

Pour la bonne compréhension de l’œuvre, voici quelques repères :

le demi-grand axe : il correspond à la moitié du grand axe. Le grand axe d’une ellipse est son plus grand diamètre, un segment qui traverse à la fois le centre et les deux foyers de l’ellipse et la rejoint en ses deux points les plus opposés. Le demi grand axe joint le centre et un bord de l’ellipse à travers l’un des foyers.

L’Unité Astronomique ou ua : c’est la distance terre-soleil, soit environ 150 millions de kilomètres.

HZ : « Habitable Zone » ou Zone Habitable : c’est une région de l’espace où les conditions sont favorables à l’apparition de la vie telle que nous la connaissons sur Terre. La zone habitable circumstellaire est une sphère théorique entourant une étoile et où la température à la surface des planètes y orbitant permettrait l’apparition d’eau liquide.

Un peu de chimie : liste des différents atomes, ions et molécules représentés avec une couleur pour chaque atome ; ces ingrédients de la vie ont été détectés dans les disques autour des étoiles ainsi que dans le milieu interstellaire :

Hydrogène ou H : bille rouge

Hydrogène ionisé ou H+ : bille verte

Carbone ou C : bille grise ou noire selon le fond.

Oxygène ou O : bille bleue

O2 oxygène moléculaire : deux billes bleues

Azote ou N : bille rose

N2 ou azote moléculaire : deux billes roses

CH4 le Méthane : carbone bille grise entouré des 4 hydrogènes en billes rouges

H2O : 2 hydrogènes en billes rouges et un oxygène en bille bleue

CO ou monoxyde de carbone : carbone en bille grise et oxygène en bille bleue

CO2 ou dioxyde de carbone : carbone en bille grise et oxygène en billes bleues

HCO+ : cation formylium représenté avec hydrogène en bille rouge, carbone en bille grise ou noire et oxygène en bille bleue

HCN ou cyanure d’hydrogène : hydrogène en bille rouge, carbone bille grise et azote bille rose

N2H+ : cation diazenylium composé de deux azote ou N en billes roses et un hydrogène H+ en bille verte

H3+ : cation trihydrogène composé de trois hydrogènes en billes rouges

C2H6 ou éthane : 2 carbones en billes grises entourés de 6 hydrogènes en billes rouges

C2H4 éthène ou éthylène : 2 carbones en billes grises ou noires et 4 hydrogènes en billes rouges

HNCO ou acide isocyanique ,détecté dans les comètes Hyakutake en 1996 et Hale-Bopp en 1997 : 1 hydrogène bille rouge, 1 azote ou N en bille rose, 1 carbone bille grise et un oxygène en bille bleue

HCOOH : acide méthanoïque ou acide formique : 1 hydrogène en bille rouge, 1 carbone en bille grise, 2 oxygènes en  billes bleues et un autre hydrogène en bille rouge.

CN- : ion cyanure : carbone en bille grise, triple liaison avec azote en bille rose

H2CO ou formaldéhyde : 2 hydrogènes en billes rouges, 1 carbone en bille grise ou noire et un oxygène en bille bleue

NH3 ou ammoniac : 1 azote en bille rose et 3 hydrogènes en billes rouges

Partons au centre de l’œuvre dans la partie supérieure où est représentée l’étoile sur fond jaune, orangé et ocre.

« The Chemical Composition of Tau Ceti and possible effects on terrestrial planets » : En utilisant le spectrographe MIKE (de Magellan), les abondances de 23 éléments chimiques ont été déterminées. Le taux de Mg/Si de l’étoile est de 1,78, plus important que celui de la Terre. Avec cet excès en magnésium et silicium, la formation et la minéralogie des planètes autour de Tau Ceti, pourraient être très différentes de celles de la Terre, avec une possible sursaturation de MgO.

La détermination des éléments chimiques a conduit les scientifiques à l’étude de chaque étoile, avec des échelles de variations pour chacune d’elle. A partir de l’enrichissement d’une étoile, on peut aboutir à la formation de planètes, enrichies à partir du même matériau ; pour les planètes rocheuses on trouve principalement Mg Si O et C.

Tau Ceti est un peu plus petite et plus froide que le Soleil, elle possède donc un cœur d’hydrogène et d’hélium.

Sur l’œuvre et à l’intérieur de l’étoile, j’ai donc symbolisé sa composition chimique : hydrogène et hélium (protons en billes rouges et neutrons en billes vertes). Deux hélium 3 donnent un hélium 4 (2 billes rouges et 2 billes vertes) entouré de deux protons en bille rouge.

Sur l’oeuvre également, le rayonnement partant de l’étoile centrale est symbolisé en photons ondulatoires jaunes et roses.

LES PLANETES :

Wikipédia :

-Tau Ceti b : tout près de l’étoile, à droite, apparaît une petite boule sombre, la planète Tau Ceti b, d’une masse estimée à environ 2 masse terrestre, avec un demi-grand axe de 0,105 ua, une période orbitale de 13,965 jours et une excentricité de 0,16.

– Tau Ceti c : nous la découvrons à gauche sous l’étoile en une autre petite boule sombre, c’est une planète très proche de l’étoile, elle a une masse  estimée à environ 3,11 masse terrestre, un demi-grand axe d’ environ 0,195 ua, une période orbitale de 35,362 jours et une excentricité de 0,03.

-Tau Ceti d : toujours à gauche sous Tau Ceti c, apparaît la troisième planète Tau Ceti d, à côté arrive une nuée de comètes en coloris bleu, accompagnée de milliers de petits points glacés en coloris bleu clair, qui va contourner l’étoile. Tau Ceti d possède une masse estimée à environ 3,50 masses/terrestre, un demi-grand axe d’environ 0,374 ua, une période orbitale d’environ 94,11 jours et une excentricité de 0,08.

-Tau Ceti e : continuons à tourner sous l’étoile et vers la droite dans la partie marron : nous croisons la planète Tau Ceti e symbolisée par la petite boule sombre : sa masse est estimée à 4,29 masse terrestre, son demi-grand axe est d’environ 0,552 ua  (noté sur l’œuvre), sa période orbitale est de 168,12 jours et son excentricité est de 0,05. Sous cette planète on aperçoit un autre nuage de comètes en bleu clair, enveloppé de milliers de petits points glacés. Lui aussi se dirige vers l’étoile centrale qu’il va contourner.

« Les Superterres de Tau Ceti » Futura Sciences : « La planète Tau Ceti e serait dans la zone habitable » commente Michaël Pagano qui a dirigé les recherches, « récemment, c’est-à-dire il y a moins d’un milliard d’années ». Les planètes e et f se seraient déplacées dans la zone habitable alors que l’étoile est devenue plus lumineuse.

Tau Ceti f : cette planète, symbolisée en boule sombre sous l’étoile et en bas du disque en coloris marron, possède une masse estimée à 6,67 masse terrestre, un demi-grand axe de 1,35 ua, une période orbitale estimée à 642 jours et une excentricité de 0,03. Juste à sa gauche nous croisons un autre nuage de comètes se dirigeant vers l’étoile : deux comètes entrent en collision dans un éclatement orangé et un éparpillement de petits points glacés en coloris blanc-bleuté.

Les planètes Tau Ceti g et Tau Ceti h :

Lorsque j’ai réalisé cette œuvre, je m’étais appuyée sur des publications de 2012 qui révélaient la détection de cinq exoplanètes autour de Tau Ceti.

L’annonce, largement diffusée depuis le 19 décembre 2012, avait de quoi faire rêver.

Cinq planètes de 2 à 6,6 masses terrestres, dont deux potentiellement habitables, tournent-elles vraiment autour de l’étoile Tau Ceti, à seulement 11,9 années-lumière de la Terre ?

De nouvelles observations réalisées en 2017 conduisent à la prudence et les scientifiques émettent des réserves concernant les trois planètes Tau Ceti b, Tau Ceti c et Tau Ceti c.

« Seulement des signaux périodiques » : le titre de l’article signé par l’astrophysicien Mikko Tuomi et ses collègues « annonce seulement la détection de signaux périodiques en direction de Tau Ceti, pas de planètes », note l’astrophysicien Franscesco Pepe, spécialiste de la recherche de planète autour d’étoiles de type solaire.

« Avec Tau Ceti, nous sommes justement « dans un cas où l’amplitude des signaux planétaires est du même ordre que celle des signaux stellaires », prévient Xavier Dumusque (Observatoire de Genève).

En 2017, de nouvelles observations ont confirmé la présence des planètes Tau Ceti e et Tau Ceti f ainsi que la découverte de deux nouvelles planètes Tau Ceti g et Tau Ceti h :

Tau Ceti g : de 1,8 masse/terrestre, cette exoplanète a une période orbitale de 20 jours et se situe à 0,133 unités astronomiques de son étoile hôte Tau Ceti.

Tau Ceti h : de 1,8 masse/terrestre, cette exoplanète a une période orbitale de 49,41 jours et se situe à 0,243 unités astronomiques de son étoile hôte Tau Ceti.

De futures observations nous offrirons plus de précisions et un nouveau regard sur le système planétaire Tau Ceti.

LA ZONE HABITABLE : au bord du disque marron, à gauche et à droite est notée la mention HZ : pour « habitable zone » ou Zone Habitable. En fait et selon les calculs des modèles réalisés par « NASA Star and Exoplanet Database », le bord interne de la Zone Habitable autour de Tau Ceti se situerait à environ 0,582 ua de l’étoile alors que le bord extérieur s’étendrait très loin à environ 1157 ua de l’étoile. C’est dans cette zone que nous allons croiser les éléments chimiques que l’on peut espérer découvrir autour de Tau Ceti.

En haut à gauche toujours dans le disque marron autour de l’étoile ; nous croisons O2 (deux billes bleues), CO, N2O (azote en rose et oxygène en bleu), plus bas CH4 (les 4 hydrogènes en rouge et le carbone en gris), plus bas en tournant sous l’étoile vers la droite le CO avec des brins de glace entourant les comètes, C+ ionisé par le photon stellaire jaune, des grains de poussière notés GR, de l’hydrogène ionisé en billes vertes par les photons stellaires, du silicium en bille orangé, toujours sous l’étoile vers la droite à nouveau CH4 ainsi qu’en remontant à droite ; à côté, d’autres comètes entrent en collision en éclatement orangé et en petits points glacés éparpillés. Un autre nuage de comètes s’approche de l’étoile à droite : on aperçoit les éléments chimiques suivants : CO, CO2, N2, H, O+, N2O, plus haut CH4, O2+ ionisé par un photon jaune, H+ en bille verte et H2 en billes verte et rouge.

Tout au bord du disque en coloris marron, les nuages en bleu clair de CO2 marquent la limite de la zone habitable. Au delà et à partir de 10 ua, il fait beaucoup plus froid, donc on rencontre beaucoup de CO, CO2, H2O et autres éléments chimiques sous forme glacée.

A partir de la ligne verticale symbolisée par les photons jaunes et roses sous l’étoile, sont indiquées les unités astronomiques : sous l’étoile et à 10 ua d’elle, nous sommes dans la partie en coloris bleu foncé entourant le premier disque marron.

Tau Ceti Wikipédia :

Un important disque de débris a été découvert en 2004 par l’équipe d’astronomes britanniques de Jane Greaves : elle trouva dix fois plus de matériaux cométaires et astéroïdaux en orbite autour de Tau Ceti que ceux autour du Soleil. Cette détection a été obtenue en mesurant le disque de poussières froides orbitant l’étoile et produites par les collisions entre ces petits objets. Les planètes seraient donc soumises à de grands impacts environ dix fois plus souvent que sur Terre.

Le disque de débris, découvert en mesurant la quantité de radiations émises par le système dans l’infrarouge lointain, est symétrique et centré autour de l’étoile. Il se situe entre 10 et 55 ua pour sa frontière externe. A titre de comparaison, la Ceinture de Kuiper s’étend de 30 à 50 ua du Soleil. La partie principale du disque serait en orbite autour de Tau Ceti entre 35 et 50 ua de l’étoile.

Tau Ceti prouve que les étoiles ne perdent pas nécessairement leur disque de débris au cours de leur évolution, la densité de la ceinture autour de Tau Ceti est de seulement 1/20ème de celle autour de sa jeune voisine Epsilon Eridani. Les étoiles ayant des disques de débris importants où la poussière est continuellement formée par collisions, semblent être propices à la formation de planètes.

En utilisant le bolomètre submillimétrique SCUBA joint au Centre d’Astronomie d’Hawaï, une équipe d’astronomes découvre en juillet 2004, un disque de poussières dense et froid autour de Tau Ceti. Il serait composé d’un anneau s’étendant principalement entre 10 et 55 UA de l’étoile. A l’intérieur de ce disque, se seraient produites des collisions entre de grosses comètes et des astéroïdes, qui se seraient alors « cassés » en objets de plus en plus petits. La taille et la forme du disque sont similaires à celles de notre Système Solaire, La Ceinture de Kuiper. Il paraît vraisemblable que les nombreux impacts ont laissé peu de chance aux planètes proches de l’étoile, de développer une vie aux formes complexes comme nous la connaissons sur Terre….. sauf si une planète géante (non détectée à ce jour) telle Jupiter avait protégé ces planètes telluriques.

Sur l’œuvre partons complètement à gauche dans la partie supérieure du disque de poussières. Plusieurs comètes en bleu se fractionnent en éclatement orangé : tout autour les petits points bleus symbolisent la glace éparpillée, avec les principaux ingrédients chimiques des comètes : CO et H2O. Juste dessous en nous dirigeant sur la droite, c’est une collision entre astéroïdes qui est symbolisée en éclatement orangé, flèches jaunes et petits morceaux d’astéroïdes en noir sur fond gris. Et encore dessous l’élément chimique N2H+ est fractionné par un photon jaune ; au dessus des morceaux d’astéroïdes apparaissent H2 et CH4. Continuons à tourner sur la droite dans la partie bleue, une nuée de comètes en coloris bleu accompagnée de milliers de petits brins de glace s’approche et « monte » vers l’étoile. Nous croisons une autre ligne de photons, ils « cognent » certains ions et molécules, des électrons sont arrachés, nous voyons HCO+, C+, H3+, CO2. Nous voici dans la partie grise où trois comètes entrent en collision en orangé, entourée de milliers de petits points glacés : juste dessous et sur fond ocre, on aperçoit des nuages de CO2 accompagnés de petits points glacés et de petites étoiles symbolisant des cristaux de glace. En nous dirigeant toujours sur la droite et sur un autre fond gris, nous voici devant une autre collision d’astéroïdes en éclatement orangé, flèches jaunes et astéroïdes en brun à environ 15 ua sous l’étoile. En nous dirigeant toujours à droite nous croisons du CO2 sur fond marron avant d’arriver devant une autre collision de comètes en éclatement orangé sur fond bleu, entourée de petits grains glacés. Juste au dessus dans dans la partie sombre, c’est une collision d’astéroïdes qui apparaît en orangé, flèches jaunes au bout desquelles des fragments d’astéroïdes en coloris marron sont projetés à travers le disque. Dans la ligne des photons à droite nous croisons l’ion HCO+ et au dessus N2H+, une chimie où la vie pourrait apparaître… Nous sommes à droite sur fond bleu où deux comètes se fractionnent en éclatement orangé et petits points glacés bleus : cela produit plusieurs petites comètes au bout des flèches jaunes. Remontons au dessus à travers le disque dans la partie sombre : deux comètes se rencontrent en une forme étoilée orange. Encore au dessus, c’est à nouveau une collision d’astéroïdes que nous apercevons en éclatement orangé, flèches jaunes et morceaux d’astéroïdes en gris clair toujours sur fond sombre. Nous croisons au bord de l’œuvre à droite quelques éléments chimiques : H3+, CH3, H2, N2, CH5, tous propices à l’apparition d’une forme de vie. Nous sommes tout en haut du disque à droite où le fond bleu sombre alterne avec des parties bleu clair et où l’on retrouve des grains de poussières et de glace entre les lignes des photons ; ces derniers « cognent » contre l’hydrogène ionisé en bille verte ainsi que CO+, HCO+, CO et tout en haut à droite on aperçoit CH4.

LES COMETES DE KREUTZ :

Il y a une centaine d’années, l’allemand Carl Heinrich Friedrich Kreutz (1854-1907) s’est rendu compte que plusieurs comètes, passant à proximité du Soleil, présentaient des similitudes orbitales. Ces comètes sont regroupées aujourd’hui sous l’appellation « comètes sungrazers de la famille de Kreutz », certaines sont venues dans le passé. Brian Marsden a alors émis l’hypothèse que la majorité des comètes du groupe de Kreutz pourrait avoir pour origine une comète sungrazer d’environ 120 km de diamètre avec une période d’environ 1000 ans, et qui se serait fragmentée de nombreuses fois au cours de ses passages rapprochés auprès du Soleil. Selon Brian Marsden la fragmentation aurait donné deux groupes majeurs. La comète  vue en -371 se serait cassée (d’après l’historien grec Ephorus) et elle serait une des filles de la comète d’origine. Cette fracture aurait engendré deux comètes principales, l’une d’une période de 350 ans et la seconde avec un retour tous les 700 ans environ. La comète avec période de 350 ans serait revenue dans notre ciel au 1er, 4ème, 8ème, 11ème et 15ème siècles. La Grande Comète de Mars (C/1843 D1), les objets SOLWIND du satellite P78-1, les comètes découvertes par le coronographe CCP et environ 66 % des objets découverts aujourd’hui par SOHO, seraient affiliés au retour effectué au 11ème siècle par suite d’une nouvelle fragmentation du noyau, et composent le sous-groupe I des sungrazers de Kreutz ainsi que les grandes comètes de 1880 et 1887 (C/1880 C1 et C/1887 B1).

La seconde comète engendrée par la cassure du noyau, observée par Ephorus, et dont la période serait de 700 ans, serait revenue au 4ème siècle et en 1106 (X/1106 C1), et une nouvelle fois le noyau s’est brisé. La Grande Comète de Septembre (C/1882 R1) Ikeya-Seki (C/1965 S1) et environ 18 % des objets découverts par SOHO, semblent être affiliés à l’une des cassures de la comète de 1106, et forment le sous-groupe II des sungrazers de Kreutz.

Après ces observations de comètes issues de fragmentations au sein de notre propre Système Solaire, j’ai donc imaginé qu’un processus similaire pourrait se produire avec les nombreuses comètes autour de Tau Ceti.

Nous retournons en bas à gauche et au bord de l’œuvre : le groupe de comètes en coloris bleu s’élève vers l’étoile, en dessous on aperçoit des nuages bleus de CO2, ils sont traversés par le rayonnement des photons roses et jaunes ; on aperçoit C2H4 et HCO+. Nous sommes tout en bas de l’œuvre à gauche, dans la partie sombre deux grosses comètes entre en collision, se fractionnant en plusieurs petites comètes à l’image de celles de la famille de Kreutz. A côté à droite on aperçoit HNCO et HCOOH ainsi que NH3 : juste au dessus sur fond ocre/marron, c’est un éclatement d’astéroïdes qui apparaît au bout des flèches jaunes, au dessus on aperçoit N2O.

Continuons en bas en nous dirigeant vers la droite : nous croisons une autre nuée de comètes, entourée de petits grains bleus glacés et accompagnée de nuages de CO et H2O ; tout  en bas de l’œuvre dans le sillage des comètes apparaît la molécule O2, elle a été détectée dans la chevelure de la comète Tchouri avec un taux de 3,8 % par rapport à l’eau, le reste étant composé à 95 % de vapeur d’eau de CO et de CO2. Nous croisons l’hydrocarbure C2H6 et nous continuons sur la droite, notre traversée se poursuit au milieu de quelques astéroïdes en coloris brun et marron. Nous continuons en bas de l’œuvre, au delà de 30 ua, dans les parties bleues et sombres,  à nouveau deux comètes vont se fractionner en éclatement orangé, couronné de mille petits points glacés. Juste au dessus, nous traversons des nuages bleus de CO2, nous apercevons HCOOH en bas, puis deux comètes à droite se dirigent vers l’étoile, toujours entourées de petits points et de cristaux de glace : en bas à droite nous croisons à nouveau C2H6 ainsi que des nuages de CO2, nous arrivons maintenant dans l’angle tout à droite : une collision d’astéroïdes en éclatement orangé et ocre éparpille des dizaines de petits « cailloux » noirs et marrons au bout des flèches jaunes. Nous remontons sur le bord droit de l’œuvre parmi les nuages de CO2 et quelques astéroïdes, nous croisons NH3, plus haut N2 et à nouveau O2 dans le sillage des comètes.

Voilà cette « promenade céleste » autour de Tau Ceti s’achève, nous avons découvert les planètes en orbite à proximité de l’étoile, ainsi que l’important disque de comètes et astéroïdes ; j’ai pu ainsi faire le parallèle avec les comètes de notre Système Solaire et leur composition chimique.

Je vous donne rendez-vous prochainement pour de nouvelles découvertes, donc à bientôt autour d’une autre étoile !