CI Tau et ses quatre géantes gazeuses

Rendons hommage à Christopher Johns-Krull et à l’équipe d’une douzaine de chercheurs qui, après un long travail de relevés astronomiques commencé en 2004, découvrent en 2016 une planète géante nommée CI Tau b autour de la jeune étoile CI Tau encore entourée d’un disque de gaz et de poussières. « C’est la première fois que l’on découvre une aussi grosse planète en orbite autour d’une étoile aussi jeune encore entourée des résidus de son cocon sous la forme d’un disque de gaz et de poussières ».
Félicitons aussi Cathy Clarke et les chercheurs de l’Université de Cambridge qui découvrent en 2018 , grâce au radiotélescope ALMA au Chili, trois autres planètes géantes plus éloignées de l’étoile CI Tau. Le 23 et 24 septembre 2017, Cathy Clarke et son équipe observent CI Tau avec 40 antennes d’ALMA et un temps d’intégration à la source de 32,35 minutes.

Pour la bonne compréhension de l’oeuvre, voici quelques rappels concernant l’astrochimie :
Les atomes d’hydrogène H sont représentés en petites billes rouges, l’atome de carbone C en bille grise, l’atome d’oxygène O en bille bleue, l’atome d’azote (noté N) en bille rose, l’atome de soufre S en bille orangé.
Voici quelques molécules et ions que vous retrouverez sur la toile :
H2 : l’hydrogène moléculaire
O2 : l’oxygène moléculaire
HCN : cyanure d’hydrogène
HCO : hydrogénocarbonate ou bicarbonate
HNC : isocyanure d’hydrogène
NH3 : l’ammoniac
HCN : cyanure d’hydrogène ou acide cyanhydrique
H3+ : trihydrogène , ion très courant dans le milieu interstellaires
H2CO : le formaldéhyde ou méthanal, détecté dans les comètes
HNCO : acide isocyanique
HCOOH : acide méthanoïque ou acide formique (ou CH2O2)
N2H+ : le diazenylium, un cation inorganique dans différents environnements interstellaires
CH3OH : le méthanol

Imaginons donc ce que nos descendants observeraient en arrivant à proximité de CI Tau et de ses géantes gazeuses.

Et pour cela regardons sur la toile ce que les chercheurs ont découvert : la planète CI Tau b, connue comme un « Jupiter chaud », possède une masse d’environ 11,3 celle de Jupiter, elle orbite autour de l’étoile en 9 jours à une distance plus proche que celle de Mercure du Soleil. Au delà de l’étoile et de cette planète proche, le système s’étend avec trois autres anneaux situés à environ 13, 39 et 100 unités astronomiques. Ces anneaux sombres nous indiquent qu’à l’intérieur de chacun d’entre eux, une planète s’est formée.
A droite et à gauche, juste sous l’étoile, apparaît la planète CI Tau c dans le deuxième anneau sombre.
Toujours à droite et à gauche de l’étoile centrale est symbolisée la migration interne de la planète CI Tau b en diagonales gazeuses de colori bleu. La planète CI Tau b est symbolisée en colori ocre à l’intérieur des diagonales gazeuses bleues, sa migration interne est représentée par les flèches jaunes, jusqu’à son orbite actuelle très proche de l’étoile.
Je consulte maintenant l’article suivant sur internet : « High Resolution Millimetre Imaging of the CI Tau Protoplanetary Disc – A Massive Ensemble of Protoplanets From 0,1 -100 UA » :
Des données d’observations additionnelles permettent une analyse plus complète des propriétés du système. Nos résultats démontrent que l’association entre les « Jupiter chauds » et des géantes gazeuses sur des orbites plus larges, observée autour d’étoiles plus âgées, est apparemment en place à un stade d’évolution plus précoce. « Il y a un débat considérable afin de savoir si ces objets se sont formés in situ ou ont migré d’un rayon plus éloigné, ou bien s’ils proviennent de l’interaction avec le disque protoplanétaire natal ou de la dispersion planète-planète après dissipation du disque. Les récentes découvertes (Johns-Krull et al. 2016, Biddle et al. 2018) en utilisant la technique de vitesse radiale, d’un Jupiter chaud dans le jeune disque abritant l’étoile de type solaire CI Tau, ont démontré du moins dans ce cas là, qu’un Jupiter chaud est toujours sur une orbite très proche lorsque l’étoile est seulement âgée de deux millions d’années. CI Tau est un système planétaire bien étudié et également connu pour abriter un disque massif de gaz et de poussières s’étendant à des centaines d’unités astronomiques de l’étoile. De plus il affiche un fort taux d’accrétion de gaz autour de l’étoile. Environ la moitié des systèmes matures avec Jupiter chaud possède aussi des compagnons à moins de 20 unités astronomiques, et si ce scénario est présent à un stade précoce, il pourrait créer des structures dans le disque protoplanétaire.

FORMATION AND MIGRATION :
Les masses planétaires inférées dans les trois anneaux suggèrent que aucune de ces planètes ne s’est formée par instabilité gravitationnelle, car dans ce cas là elles auraient atteint de plus grosses masses par accrétion. D’autre part les Jupiter chauds peuvent s’être formés par une variété de mécanismes : à partir des masses du disque et des planètes ainsi que de l’accrétion autour de l’étoile, l’échelle de temps déduite pour leur migration interne est de 0,4 Myr (millions d’années) ; ainsi elles pourraient avoir eu tout le temps pour migrer à partir d’emplacements s’étendant bien à l’extérieur.

EXOPLANETARY ATMOSPHERES : CHEMISTRY IN GIANT PLANETARY ATMOSPHERES :
La composition chimique d’une atmosphère planétaire influence fortement sa température, structure et signatures spectrales. Les planètes géantes extrasolaires, similaires à Jupiter et Saturne, sont supposées abriter des atmosphères primaires composées principalement d’hydrogène et d’hélium ; on pense aussi qu’un nombre moins important d’espèces moléculaires et atomiques comprenant des éléments plus lourds (O,C,N) se trouvent dans ces atmosphères.
Il est d’usage dans les modèles d’exoplanètes de supposer que les atmosphères sont en équilibre thermo-chimique. H2O est le transporteur dominant de l’oxygène à toutes températures tandis que le carbone contenu dans CO et CH4 dépend de la température.CH4 est dominant à 1300 K alors que CO est dominant à de plus hautes températures. D’autres molécules telles que CO2 NH3 et des hydrocarbures deviennent également prédominants selon la température.

Sur l’oeuvre entre l’étoile et le deuxième anneau sombre à l’intérieur duquel évolue CI Tau c, on aperçoit les composants chimiques suivants : SiC près de l’étoile dans le disque chaud en colori ocre, SO2, puis principalement H2, H2O et CO, et en nous éloignant de l’étoile CH4, nous sommes à environ 13 UA de CI Tau.
Eloignons nous encore de l’étoile jusqu’au troisième anneau sombre à 39 UA, représenté un peu plus bas, à l’intérieur duquel la planète CI Tau d évolue. Nous l’apercevons en colori ocre, entourée de ses anneaux, vraisemblablement c’est une planète de style « Saturne ».
A gauche de la planète, un long « couloir » en colori bleu s’élève jusqu’à l’étoile, entrainant dans son sillage de nombreuses comètes qui s’approchent de l’étoile et vont ensuite la contourner.
Pendant ce temps CI Tau b a entamé sa migration interne, symbolisée en flèches jaunes, vers l’étoile et elle transporte de nombreux éléments chimiques dont CO, CO2, H2O. De part et d’autre, à droite et à gauche, de nombreuses autres comètes s’élèvent en ballets poétiques pour aller contourner l’étoile.
A 39 UA, l’environnement plus froid est symbolisé par des milliers de petits points ocres et bleutés : l’énorme manteau de glace se déploie devant nous : les cristaux de glace sont symbolisés par les petites étoiles bleutées parmi les nuages de CO2. A droite de la planète CI Tau d, on aperçoit CH3OH qui se forme à partir de 30 UA, des comètes vont entrer en collision, on aperçoit également de petits grains de poussières et de roches où se forme CO et où H2O est ensuite expulsée, sous l’effet du rayonnement de l’étoile, nous croisons aussi les ions H2+ et H3+.
Continuons à tourner sur la droite, nous traversons le long « couloir » bleu de gaz à l’intérieur duquel est symbolisée la migration interne de CI Tau b.
Toujours plus à droite dans la partie bleue où apparaissent les nuages de CO2, arrivent de nombreuses comètes en colori bleu clair, elles s’élèvent jusqu’à l’étoile et vont la contourner ; parmi elles de nombreuses particules glacées ondulent en petits points roses et bleus.
Tout à droite au bord de l’oeuvre et dans le troisième anneau sombre, nous croisons la planète CI Tau d.
Après avoir fait le tour de l’étoile, nous retournons complètement à gauche dans le troisième anneau sombre où nous retrouvons la planète CI Tau d. Continuons à descendre, nous croisons la molécule H2CO ou le formaldéhyde qui est présent dans les comètes, aussi juste à côté une « envolée » de comètes se dirige vers l’étoile. Leur trajectoire est toujours accompagnée du ballet de petits points glacés roses et bleus qui ondule entre elles. Dans cette danse de glace, on aperçoit H2, H2+, H3+, CO et CO2, HCO+ ainsi que l’ion N2H+. Ce dernier nommé diazenylium est un cation inorganique qui apparaît dans différents environnements interstellaires.
Le diazenylium est une molécule fragile qui est facilement détruite en présence de monoxyde de carbone, sauf dans les régions froides où le CO est transformé en neige et ne peut donc plus la détruire. Elle brille alors intensément dans la partie millimétrique du spectre, et a ainsi pu être détectée à 30 UA autour de l’étoile TW Hydrae. C’est pourquoi je l’ai représentée à plusieurs reprises sur cette œuvre, car on peut imaginer que cette molécule se trouve autour de CI Tau.
En tournant sur la droite, nous « enjambons » le couloir bleu de gaz symbolisant la migration interne de CI Tau b, nous croisons NH3 l’ammoniac, puis HNC l’isocyanure d’hydrogène dans la partie marron, nous nous trouvons à une distance d’environ 39 à 50 UA de l’étoile, et il fait très froid ! Nous traversons le couloir bleu des comètes où nous croisons à nouveau H2, CO, CO2. Nous continuons vers la droite, sous la planète CI Tau d. Nous rencontrons l’ion H3+, à nouveau le diazenylium, le monoxyde de carbone est maintenant sous sa forme neigeuse, en petits cristaux glacés. Nous croisons HCOOH l’acide méthanoïque ou acide formique, puis un autre ion H3+, nous voici à nouveau devant les comètes entourées du ballet des petits points glacés. Continuons vers la droite toujours dans la partie marron : nous apercevons HCN le cyanure d’hydrogène parmi le CO à l’état glacé, puis juste à côté du couloir de gaz bleu qui entraîne CI Tau b dans sa migration interne, nous nous arrêtons un instant devant H2CO le méthanal ou formaldéhyde de formule chimique CH2O.
Nous traversons le couloir bleu de la migration interne de CI Tau b. Nous voici tout à droite dans les parties en marron et en bleu, parmi différents composants chimiques : le CO2 maintenant neigeux, puis CH4 le méthane, NH3 l’ammoniac, plus bas tout au bord de l’oeuvre N2H+ le diazenylium.
J’ai également imaginé une petite planète tellurique qui évoluerait à une distance similaire à celle des Objets de Kuiper par rapport au Soleil. Cette planète symbolisée en une boule marron, pourrait avoir un diamètre entre 2000 et 3000 kilomètres. Des planètes similaires à celle-ci doivent certainement évoluer autour de CI Tau, mais elles ne sont pas encore détectées…on peut toujours rêver en attendant que les instruments se perfectionnent et nous permettent la découverte de tant de merveilles !
Nous retournons maintenant tout à gauche et vers le bas de l’oeuvre, dans le quatrième anneau sombre où évolue au premier plan la planète CI Tau e. Nous nous sommes éloignés de l’étoile et nous nous trouvons dans une région très froide à environ 100 UA. Là, dans le vaste anneau sombre, la glace et la neige tournent en petits points bleus et roses. Tout à gauche et vers le bas de l’oeuvre apparaît à nouveau le diazenylium, puis HNCO l’acide isocyanique parmi les nuages de CO2 glacés, puis HCN le cyanure d’hydrogène. Nous traversons sur la droite, devant nous la planète CI Tau e ondule, merveilleuse géante gazeuse ocre et bleue entourée d’anneaux, elle ressemble à notre planète Saturne. Nous continuons notre traversée parmi les nuages de CO2 glacés, qui n’empêchent plus le diazenylium N2H+ de briller.
Plus à droite apparaît HCO+, H3+ et toujours les nuages neigeux de CO2. Nous sommes en bas tout à droite, juste sous le couloir bleu de la migration CI Tau b. Nous apercevons le méthanol CH3OH qui s’est formé à partir du monoxyde de carbone juste à côté de lui, puis tout à droite HCN le cyanure d’hydrogène.
Nous retournons maintenant tout à gauche en bas de l’oeuvre dans les parties en bleu et en marron, parmi la danse des petits points de glace. Des comètes se dirigent vers l’étoile, des petits cailloux évoluent en petites boules sombres, certains ont atteint une taille de 1 kilomètre, d’autres mesurent plusieurs kilomètres, ce sont des astéroïdes. Sous la planète CI Tau e, nous croisons encore le méthanol CH3OH ainsi que le diazenylium N2H+. A droite sous la planète CI Tau e, est notée la distance à l’étoile : 100 UA. Comme il fait froid ! Le CO2 danse en milliers de petits points glacés et le diazenylium scintille ! Croisons encore HNCO l’acide isocyanique, puis à droite encore N2H+ et CH3OH le méthanol ; nous découvrons une autre planète en boule marron : c’est mon imagination qui parle, car à cette distance aucune petite planète tellurique ne peut être détectée autour de cette étoile.
Tout en bas de l’oeuvre dans les nuages bleus, apparaissent des molécules plus complexes H2CO,H2COH et toujours CH3OH le méthanol.

Notre voyage autour de l’étoile CI Tau se termine. Dans l’immense manteau de glace, nous sommes allés à la rencontre des quatre géantes gazeuses, des nombreuses comètes, des cailloux, astéroïdes et petites planètes ainsi que des éléments chimiques qui constituent ce vaste disque protoplanétaire.
L’année prochaine nous repartirons ensemble sur une autre œuvre à destination d’une autre étoile.