Comment se forment les systèmes planétaires comme notre Système solaire – et à quel stade précoce de la vie d'une étoile les planètes commencent-elles à façonner leurs trajectoires ? La dernière analyse des données du télescope spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne (ESA), combinée aux observations du radiotélescope ALMA au Chili, offre l'aperçu statistique le plus détaillé à ce jour sur ce qui se passe dans les parties internes des disques protoplanétaires autour d'étoiles très jeunes. Dans 31 des 98 systèmes jeunes analysés, les astronomes ont observé une subtile « oscillation » des étoiles qui révèle une société cachée : des planètes, des naines brunes et des étoiles supplémentaires.

Des nuages de gaz au système stellaire « bébé »

Chaque système stellaire commence comme un immense nuage froid de gaz et de poussière dans l'espace interstellaire. Sous sa propre gravité, le nuage commence à s'effondrer. À mesure que la matière s'écoule vers le centre, le nuage accélère, s'aplatit et prend la forme d'un disque en rotation. Au centre, un noyau dense et incandescent se forme – la future étoile – tandis qu'autour d'elle s'étend un disque protoplanétaire, un réservoir de matière à partir duquel naissent les planètes, les lunes et les corps plus petits.

Dans une partie de ces disques, les astronomes observent un grand espace interne « vide », une cavité dans la poussière à des distances de quelques-unes à plusieurs dizaines d'unités astronomiques (UA) de l'étoile. Ces objets sont appelés disques de transition. Les lacunes ne sont pas réellement totalement vides – elles contiennent toujours du gaz et des particules fines – mais l'absence de poussière est visible aux longueurs d'onde infrarouges et millimétriques. L'une des principales explications a longtemps été que les cavités sont creusées par une planète massive ou plusieurs planètes qui « nettoient » leurs orbites.

Grâce à l'interféromètre ALMA, les astronomes photographient ces dernières années les disques de transition avec une résolution spatiale incroyable. Sur les collages obtenus par ALMA, les disques sont souvent représentés dans des tons d'orange et de violet, les anneaux les plus brillants indiquant des accumulations de poussière millimétrique. Dans le dernier travail, une partie de ces images ALMA – 31 systèmes stellaires « bébés » – a été assemblée dans une image commune sur laquelle se trouve, dans le coin inférieur droit, une reconstruction du jeune Système solaire à l'âge d'environ un million d'années, avec l'orbite de Jupiter indiquée comme référence.

Gaia : le télescope spatial qui mesure le « tressaillement » des étoiles

Le télescope spatial Gaia a été lancé en 2013 avec pour mission principale de dresser une carte tridimensionnelle de notre Galaxie. Pendant plus de dix ans de fonctionnement, il a mesuré les positions, les distances et les mouvements d'environ 2,5 milliards d'étoiles avec une précision auparavant considérée comme inatteignable. Au lieu d'une « image » classique, Gaia scanne à plusieurs reprises tout le ciel et enregistre les minuscules déplacements des étoiles dans le ciel – l'astrométrie – dans des tailles angulaires de l'ordre de microsecondes d'arc.

Si un compagnon massif se trouve autour d'une étoile, qu'il s'agisse d'une planète, d'une naine brune ou d'une autre étoile, la gravité de cet objet déplacera non seulement le satellite, mais aussi l'étoile elle-même. Au lieu de glisser tranquillement dans l'espace, l'étoile décrit une minuscule spirale autour du centre de gravité commun du système. Gaia peut enregistrer précisément ce « tressaillement » – oscillation astrométrique – comme un écart par rapport au mouvement rectiligne attendu. Plus le compagnon est massif et plus son orbite est large, plus il est facile de repérer ce signal.

Cette technique a déjà été utilisée pour découvrir des planètes massives et des naines brunes autour d'étoiles plus anciennes. En 2025, par exemple, l'analyse des données Gaia a confirmé l'existence de la super-Jupiter Gaia-4b et de la naine brune Gaia-5b autour de deux étoiles de faible masse, Gaia ayant pour la première fois découvert de manière indépendante une exoplanète exclusivement par astrométrie. Mais la nouvelle étude est allée plus loin : la même méthode est maintenant appliquée à des étoiles qui ne sont qu'en phase de formation et sont encore immergées dans des disques protoplanétaires.

Chasse statistique aux compagnons dans 98 disques de transition

L'équipe dirigée par Miguel Vioque de l'Observatoire européen austral (ESO) s'est concentrée sur 98 jeunes étoiles avec des disques de transition. Il s'agit d'objets dont la structure a déjà été étudiée en détail par ALMA, ce qui signifie que la taille et la forme de leurs cavités de poussière sont bien connues. L'objectif était de répondre à deux questions liées : à quelle fréquence de tels disques possèdent-ils des compagnons massifs dans les parties internes du système et ces compagnons peuvent-ils réellement être responsables de la formation des cavités de poussière observées.

En utilisant les dernières données Gaia, les chercheurs ont calculé les anomalies dites de mouvement propre – la différence entre le mouvement attendu et mesuré de chaque étoile dans le ciel – et ont analysé le paramètre RUWE, qui mesure à quel point le modèle simple de point-paramètre de Gaia décrit les observations. Un écart significatif signifie généralement qu'un système plus complexe avec un compagnon se cache derrière une étoile « simple ».

L'analyse montre que 31 des 98 disques de transition (environ 32 % de l'échantillon) présentent des anomalies astrométriques convaincantes qui s'expliquent le mieux par la présence d'un compagnon caché. En modélisant la combinaison de masse et de demi-grand axe de l'orbite capable de produire le signal observé, les auteurs ont montré que Gaia peut typiquement détecter dans cet échantillon des compagnons avec un rapport de masse supérieur à environ 1 % de la masse de l'étoile, à des distances d'environ 0,1 à 30 UA. En traduction, il s'agit d'objets d'une masse de quelques Jupiters jusqu'à des étoiles de faible masse sur des orbites couvrant la région où circulent la Terre, Jupiter et Saturne dans notre système.

Sept candidats de masse planétaire, naines brunes et étoiles supplémentaires

Le résultat le plus excitant de l'étude est l'identification de sept systèmes dans lesquels le signal astrométrique est compatible avec un compagnon de masse planétaire, inférieur à environ 13 masses joviennes. Il s'agit des étoiles HD 100453, J04343128+1722201, J16102955-3922144, MHO 6, MP Mus, PDS 70 et Sz 76. Certains de ces objets sont déjà connus pour leurs disques intéressants ou même des planètes précédemment découvertes, mais Gaia apporte désormais une confirmation indépendante que des « architectes » gravitationnels massifs agissent effectivement dans leurs zones internes.

Dans huit autres systèmes, les données s'accordent le mieux avec l'existence de naines brunes – des objets dont la masse est comprise entre les planètes les plus massives et les plus petites étoiles, qui n'ont pas assez de masse pour maintenir durablement la fusion de l'hydrogène dans leur noyau. Ces embryons stellaires « ratés » sont particulièrement intéressants car ils brouillent la frontière entre les planètes et les étoiles : se forment-ils comme les étoiles, par effondrement direct d'un nuage, ou comme les planètes, par accumulation de matière dans un disque ?

La partie restante des détections – environ seize cas selon les estimations – représente probablement des étoiles de faible masse supplémentaires dans des systèmes binaires ou multiples. Dans ces cas, le compagnon est si massif qu'il appartient au domaine stellaire selon tous les critères, bien qu'il continue à se développer entouré du disque de gaz et de poussière restant. Globalement, la plupart des compagnons observés sont plus massifs que 30 masses joviennes, ce qui signifie que les disques de transition cachent souvent une société inopinément « lourde ».

Cavités dans les disques : où sont les planètes qui les ont creusées ?

L'une des questions clés qui a motivé cette analyse est la suivante : les compagnons observés peuvent-ils expliquer les grandes cavités de poussière que nous voyons sur les images ALMA des disques de transition ? Intuitivement, une planète massive ou une naine brune sur une orbite appropriée devrait « nettoyer » la matière dans sa zone environnante, créant des structures annulaires et des trous dans le disque. Cependant, les résultats montrent que l'histoire est plus complexe.

Pour environ la moitié des compagnons détectés – les auteurs citent environ 53 % des cas – les modèles simples ne parviennent pas à concilier leurs paramètres orbitaux et leur masse avec la taille et la forme des cavités de poussière. En d'autres termes, même quand nous savons qu'un compagnon existe, il semble qu'il ne puisse pas créer seul la structure du disque que nous observons. Dans ces cas, les cavités se forment probablement par l'action d'autres compagnons non encore découverts à de plus grandes distances, ou en combinaison avec des processus tels que la photoévaporation du disque par le rayonnement à haute énergie de l'étoile, les champs magnétiques et la turbulence dans le gaz.

Ces résultats s'inscrivent dans la « révolution des disques de transition » plus large qui dure depuis plus d'une décennie. Des observations systématiques avec ALMA ont montré que les anneaux, les arcs et les spirales dans les disques ne sont pas l'exception, mais la règle. Pour une partie de ces structures, les planètes qui les créent ont été directement découvertes, mais dans de nombreux cas, le « coupable » manque encore. Le regard astrométrique de Gaia confirme maintenant qu'il existe un riche inventaire de compagnons massifs dans les disques de transition, mais aussi que leur seule présence ne fournit pas toujours une explication simple à tout ce que nous voyons.

Le jeune Système solaire comme référence

Dans la visualisation de la nouvelle étude, le panneau dédié à notre propre système est particulièrement intéressant. Les chercheurs ont reconstitué à quoi le Système solaire aurait pu ressembler à l'âge d'environ un million d'années, lorsque les planètes commençaient tout juste à se former à partir du disque protoplanétaire. Le Soleil est placé au centre de l'image (bien qu'il ne soit pas explicitement représenté), et l'orbite de Jupiter est marquée par un anneau bleu (cyan). Cet anneau est également utilisé dans les autres panneaux comme référence de comparaison d'échelle : à quel point les systèmes stellaires « bébés » sont plus grands ou plus petits que celui d'où provient notre foyer.

Une telle représentation permet au lecteur de comprendre intuitivement de quelles distances il s'agit. Alors que certains disques de transition ont des cavités plus petites que l'orbite de Jupiter, d'autres s'étendent bien au-delà, dans la région où circulent Uranus et Neptune dans notre système. Comprendre comment les planètes se forment et migrent dans ces disques signifie, en fin de compte, comprendre aussi pourquoi notre Système solaire est devenu exactement comme ceci, avec quatre planètes rocheuses dans la partie interne et quatre géantes dans la partie externe.

Ce que la nouvelle découverte dit de la formation des planètes

La combinaison de l'astrométrie Gaia et des images ALMA des disques de transition ouvre une nouvelle phase dans la recherche sur la formation des planètes. Contrairement aux découvertes spectaculaires individuelles, cette étude offre un aperçu statistique sur un échantillon complet de près de cent jeunes systèmes stellaires. Lorsque ces résultats sont combinés à des modèles théoriques, il devient plus clair que les cavités de poussière ne peuvent pas toujours s'expliquer par une seule planète géante : il est souvent plus probable qu'il s'agisse de plusieurs planètes, d'une combinaison de planètes et de naines brunes ou de planètes se cachant à des distances plus grandes que celles auxquelles Gaia est actuellement la plus sensible.

D'un autre côté, le succès de Gaia dans la recherche de compagnons dans les disques de transition confirme que les objets massifs se forment effectivement très tôt, alors que le disque existe encore. Cela s'insère dans l'image globale donnée par d'autres découvertes récentes. Par exemple, les observations du jeune système HOPS-315 avec le télescope James Webb et ALMA au cours de l'année 2025 ont montré les premières traces de grains minéraux chauds se solidifiant dans un disque vieux d'à peine quelques centaines de milliers d'années – les « graines » les plus précoces des futures planètes. De tels résultats suggèrent que le processus de formation des corps solides commence exceptionnellement tôt, et Gaia ajoute maintenant la preuve que des compagnons massifs peuvent déjà remodeler considérablement le disque.

Dans l'image globale, les disques de transition représentent une phase de transition entre un disque « jeune » rempli de gaz et de poussière et un stade ultérieur où dominent les planètes et les corps plus petits comme les astéroïdes et les comètes. Comprendre le rôle des compagnons dans cette phase est crucial pour répondre à la question de savoir à quel point les systèmes planétaires typiques de notre Galaxie sont similaires ou différents du Système solaire.

Gaia a terminé ses observations, mais les données commencent à peine à « travailler »

Bien que le télescope spatial Gaia ait terminé la collecte de données scientifiques début 2025, sa révolution astrométrique durera encore des années. Les observations de routine ont cessé le 15 janvier 2025, et la mission a été formellement conclue au printemps de la même année. D'ici là, une base de données contenant des informations sur les positions, les vitesses et les propriétés physiques d'environ 2,5 milliards de sources a été collectée, des astéroïdes du Système solaire aux quasars lointains.

À ce jour, la troisième livraison majeure de données (DR3) a été publiée, mais en arrière-plan, l'étape suivante se prépare déjà. La quatrième grande édition des données, Gaia DR4, est attendue en 2026 et se basera sur les premières 5,5 années d'observations. On devrait y voir apparaître les premières grandes collections de candidats exoplanétaires découverts par astrométrie, potentiellement des milliers de nouvelles planètes et naines brunes autour d'étoiles dans notre voisinage cosmique.

L'étude des disques de transition dirigée par Vioque s'inscrit précisément dans cette vague à venir. Bien qu'il s'agisse d'un échantillon ciblé de « seulement » 98 étoiles, les méthodes développées dans ce travail ont montré que les données de Gaia peuvent être appliquées avec succès à des sources jeunes et variables, où des processus supplémentaires – comme les jets d'accrétion, les taches stellaires et la diffusion de la lumière dans le disque – peuvent potentiellement altérer le signal astrométrique. Les auteurs concluent que ces effets ne dominent pas et que l'astrométrie peut être utilisée de manière robuste même dans les phases les plus précoces de la vie des étoiles.

Synergie avec les télescopes du futur

La liste des compagnons que Gaia a maintenant identifiés dans les disques de transition constitue un catalogue idéal de cibles pour des observations ultérieures. Le télescope James Webb, avec ses instruments sensibles dans l'infrarouge, peut « jeter un coup d'œil » dans les parties internes des disques et tenter de détecter directement le rayonnement thermique de jeunes masses planétaires ou d'étudier la composition chimique du gaz à leur proximité. ALMA peut en outre résoudre la structure de la poussière et du gaz autour des candidats découverts par Gaia, tandis que les futurs géants terrestres comme le Télescope extrêmement grand (ELT) pourront photographier directement certains de ces objets.

Une telle synergie est essentielle pour comprendre la formation des planètes. Gaia donne une vision globale et « dynamique » – elle nous montre comment l'étoile réagit à la gravité du compagnon – tandis qu'ALMA, James Webb et d'autres télescopes fournissent une « image » des disques et des planètes eux-mêmes. Ensemble, ils sépareront les cas où un compagnon massif domine la dynamique de ceux où des planètes nombreuses, et peut-être moins massives, réparties à différentes distances sont responsables de la structure du disque.

À mesure que la publication de Gaia DR4 approche, les astronomes s'attendent à ce que le nombre de compagnons connus – des planètes aux naines brunes – dans les systèmes jeunes et matures augmente de façon spectaculaire. Les derniers résultats des disques de transition montrent qu'il y aura probablement parmi eux toute une population d'objets cachés agissant à l'intérieur des cavités de poussière, précisément dans les régions où se trouvent, du moins dans notre cas, les briques fondamentales pour la formation de mondes potentiellement habitables.