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Quelle est la différence entre une planète et une naine brune ?

Une naine brune / Crédits : NASA/JPL-Caltech

Qu’est-ce qu’une naine brune ? Qu’est-ce qu’une planète ? Où se situe la limite entre les deux ? Un astronome de l’Université Johns-Hopkins (États-Unis) propose une nouvelle manière de classer ces objets qui pullulent dans l’Univers.

Ces questions ont donné du fil à retordre aux scientifiques pendant des années. Si les règles sont déjà bien établies, l’astronome Kevin Schlaufman, dans un article publié dans l’Astrophysical Journal, plaide néanmoins en faveur d’un nouveau système de classification. Schlaufman a observé 146 systèmes solaires, ce qui lui a permis de combler certains vides dans notre compréhension de la formation des naines brunes et des planètes. Et la masse de l’objet ne serait ici plus le seul facteur en jeu.

Une naine brune, nous dit-on, est une étoile avortée, pas assez massive pour que des réactions nucléaires puissent se maintenir dans son cœur. Elle est également plus grosse qu’une planète, et varie en moyenne entre 10 et 80 fois la masse de Jupiter. La fourchette est large. Mais quelle est la limite inférieure ? Schlaufman aimerait fixer cette limite à entre 4 et 10 fois la masse de la plus grande planète de notre système solaire, Jupiter. « Une limite supérieure sur les masses de planètes est l’un des détails les plus importants qui manquaient », note l’astronome. Au-dessus de cette limite, l’objet serait ainsi classé comme « naine brune ». Cette nouvelle classification propose par ailleurs de prendre en compte la manière dont l’objet s’est formé. Nous allons donc parler de « métallicité ».

En effet, les étoiles ont une teneur en métallicité. En astrophysique, cela signifie que la fraction de la masse d’une étoile qui n’est pas de l’hydrogène ou de l’hélium, est – de fait – du métal. Notons en revanche que l’Univers primitif ne présentait que de l’hydrogène et de l’hélium, et des quantités presque insignifiantes des deux éléments suivants, le lithium et le béryllium. Les premières étoiles n’avaient donc pas métallicité, voire quasiment aucune. Aujourd’hui, 13,5 milliards d’années après le Big Bang, les jeunes étoiles comme notre Soleil contiennent du métal. Ce dernier a été formé il y a environ 5 milliards d’années, et est encore largement composé d’hydrogène et d’hélium. Mais environ 2 % de sa masse est constituée d’autres éléments, principalement de l’oxygène, du carbone, du néon et du fer. C’est parce que des générations d’étoiles ont vécu et sont mortes, expulsant des éléments lourds dans l’espace, que plus tard d’autres étoiles ont été générées. C’est là que l’étude de Schlaufman entre en jeu.

Comparaison des tailles du Soleil, d’une étoile de faible masse, d’une naine rouge, du Jupiter et de la Terre.
Crédits : NASA / JPL-Caltech / UCB

Selon lui, nous pourrions distinguer les géantes gazeuses – comme Jupiter – des naines brunes par la nature de l’étoile autour de laquelle elles orbitent. Les types de planètes qui se forment autour des étoiles reflètent la métallicité de l’étoile elle-même. Les géantes gazeuses comme Jupiter sont généralement des étoiles en orbite dont la métallicité est égale ou supérieure à celle de notre Soleil. Les naines brunes sont quant à elles moins difficiles : elles se forment autour de presque n’importe quelle étoile. Pourquoi ?

Les planètes comme Jupiter sont formées par accrétion, c’est-à-dire qu’elles sont issues d’un processus qui les rend gazeuses : un noyau rocheux se forme, puis le gaz s’accumule autour. Mais pour que cela se produise, vous avez besoin de métaux. S’ils sont présents pour la formation de ces noyaux rocheux, leur présence se reflétera dans la métallicité de l’étoile hôte. Or les naines brunes ne sont pas formées par accrétion comme le sont les planètes, puisqu’elles se forment de la même manière que les étoiles, à savoir par effondrement gravitationnel. La métallicité n’est donc pas un facteur déterminant. Ce que l’astronome propose dans son étude, c’est de déterminer la masse à partie de laquelle un objet ne tient plus compte de la métallicité de son étoile. Il a alors conclu que les objets au-dessus de 10 fois la masse de Jupiter ne s’en souciaient guère, ceux-ci ne se formant pas à partir de noyaux rocheux. Par conséquent, ils ne sont pas des planètes semblables à Jupiter, ce sont des naines brunes qui se sont formées par effondrement gravitationnel.

Qu’est-ce que cela signifie ? L’actuelle définition de ce qu’est une planète repose sur ces trois critères : une planète est en orbite autour d’une étoile,  possède une masse suffisante pour assumer un équilibre hydrostatique (une forme presque ronde), et a fait place nette autour de son orbite. Par exemple, Pluton ne répondait plus à ces trois caractéristiques. Dans ces critères l’on détermine la masse suffisante, mais pas la limite supérieure qui ferait de ces planètes des naines brunes. Nos conventions de dénomination pour les objets astronomiques sont pourtant importantes, car elles aident à définir comment tout s’accorde. Nous avons donc besoin de comprendre ce qui rend différencie les objets, et savoir comment les comme reflète cette différence.

Ce principe s’applique aux naines brunes et aux géantes gazeuses. Leur donner des noms basés uniquement sur leur masse n’est pas suffisant. Cette nouvelle définition prend ici du sens dans la mesure où elle détermine un objet en ne se basant plus seulement sur sa masse, mais également sur la formation de cet objet. Mais encore une fois, tout le monde ne sera pas d’accord. Et le débat ne fait que commencer.

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