Découverte probable d’une lune autour d’un compagnon stellaire

Alors que le JWST vient de mettre en évidence une lune volcanique autour d’une exoplanète géante très proche de son étoile, des astronomes annoncent la découverte possible par astrométrie d’une lune autour d’une naine brune en orbite autour d’une jeune étoile massive.

Dans le Système solaire, les satellites sont très nombreux autour des planètes géantes (on en dénombre actuellement plus de 300). On les trouve aussi autour des astéroïdes de la ceinture principale et des objets transneptuniens. On peut classer les satellites planétaires en deux catégories en fonction de leur scénario de formation. Les premiers, comme la Lune, les satellites de Mars ou Triton, sont le résultat d’une collision ou d’une capture (fig. 1). Alors que les satellites des planètes terrestres sont dénués d’atmosphère, Triton en possède une très ténue, comparable à celle du transneptunien Pluton quand celui-ci est relativement proche de son périhélie. On trouve dans cette catégorie de nombreux objets, de toutes tailles et dénués d’atmosphère, autour des planètes géantes.

La seconde catégorie concerne les satellites des planètes géantes, dits « réguliers », situés dans le plan équatorial de la planète. Ils se sont formés en même temps que la planète, au sein du minidisque de gaz et de poussières l’entourant, dans un scénario proche de celui de la formation des planètes elles-mêmes au sein du disque protosolaire. Les plus gros satellites de Jupiter, Saturne et Uranus relèvent de cette catégorie (fig. 2). Au sein de cette deuxième classe d’objets, on peut établir des subdivisions. Titan, le plus gros satellite de Saturne, constitue une exception avec son atmosphère dense d’azote moléculaire. Io, très proche de Jupiter, subit des effets de marée suffisamment violents pour générer un volcanisme actif, également à l’origine d’un tore de gaz et de poussières ; lui aussi est unique dans le Système solaire. Les autres gros satellites extérieurs sont des objets glacés, dénués d’atmosphère, dont certains, comme Europe ou Encelade, abritent sans doute un océan d’eau liquide sous leur surface dans lequel, peut-être, des formes primitives de vie auraient pu apparaître. C’est la raison pour laquelle d’ambitieuses missions spatiales ont été lancées pour les explorer de plus près : Ganymède, le plus grand satellite du Système solaire, est, avec Europe, la cible de deux missions spatiales ambitieuses (Juice, lancée par l’Esa en avril 2023, et Europa Clipper, lancée par la Nasa en octobre 2024), pour une exploration du système de Jupiter au début des années 2030.

Des lunes autour des exoplanètes ?

Peut-on espérer découvrir des lunes autour des exoplanètes – des exolunes ? A priori, oui, si l’on considère la multitude et la variété des satellites du Système solaire. Quelles sortes de satellites pourrions-nous espérer détecter ? Disons tout de suite que les perspectives exobiologiques sont extrêmement limitées : il n’est pas question (au moins avant longtemps !) de rechercher la vie au fond d’éventuels océans souterrains abrités par des exolunes glacées… En revanche, la présence de nombreuses exoplanètes géantes à proximité immédiate de leur étoile hôte ouvre la porte à une nouvelle catégorie d’objets : les « exo-Ios » (fig. 3), en référence à Io et à son volcanisme alimentant un tore de matière autour de la planète. Le premier d’entre eux vient d’être découvert, grâce à son tore, autour de l’exoplanète géante Wasp-39 [1]. La proximité immédiate de l’étoile hôte augmente en effet le mécanisme d’émission des gaz du tore jusqu’à rendre celui-ci détectable depuis la Terre. Il est très probable que d’autres exo-Ios seront découverts dans un futur proche ; les planètes cibles sont les Jupiters chauds en transit autour de leur étoile, dont l’atmosphère peut être observée par le JWST.

Quant aux autres satellites, les « exo-Ganymèdes » (ainsi nommés du nom du plus gros d’entre eux dans le Système solaire) qui ne sont pas le siège d’un volcanisme actif, leur détection est beaucoup plus difficile. Les deux principales méthodes de détection d’exoplanètes – méthode des vitesses radiales et méthodes des transits [2] – ont privilégié des objets relativement proches de leur étoile hôte ; or, si l’on en croit l’exemple du Système solaire, les lunes se forment surtout autour des planètes lointaines. Mais pour détecter des exo-Ganymèdes comparables aux satellites extérieurs du Système solaire, mieux vaut utiliser une méthode donnant accès aux exoplanètes éloignées de leur étoile hôte : c’est l’imagerie directe qui permet de réaliser une astrométrie de précision des systèmes planétaires.

Sur le plan théorique, les modèles de formation planétaire prévoient bien la formation possible de satellites autour des exoplanètes, que ce soit par capture gravitationnelle ou par formation au sein de disques circumplanétaires denses. Les planètes proches de leur étoile (à une distance inférieure à l’unité astronomique) ont moins de chance d’avoir des satellites, car ceux-ci risquent d’être perturbés par les effets de marée. Par ailleurs, certains modèles prédisent que la masse des lunes pourrait croître avec celle de leur planète avec une loi en M_P^3/2, M_P étant la masse de la planète [3]. Il était donc logique de commencer la recherche autour de compagnons stellaires massifs (comme les naines brunes) éloignés de leur étoile.

Un satellite autour d’une naine brune ?

C’est ainsi que l’objet HD 206893 B, une naine brune en orbite autour d’une jeune étoile de type F, a été choisi pour une campagne de mesures d’astrométrie menées au Very Large Telescope de l’Eso, au Chili, entre 2018 et 2025. Les résultats de cette campagne, menée par un très large consortium coordonné par Quentin Kral, de l’Observatoire de Paris, viennent d’être publiés dans Astronomy and Astrophysics [4]. HD 206893 est un système stellaire complexe qui inclut une exoplanète de 10 masses joviennes (HD 206893 c) à 3,6 ua de son étoile, la naine brune d’environ 20 masses joviennes situées à environ 10 ua (HD 206893 B) et enfin, entre 30 et 180 ua, un double disque de débris [5] présentant en son centre un espace vide de 27 ua (fig. 4) dans lequel une deuxième planète pourrait être présente.

Les mesures ont été réalisées avec l’instrument GRAVITY au VLTI (Very Large Telescope Interferometer) sur le site de Cerro Paranal de l’Eso, au Chili (fig. 5). GRAVITY est un instrument interférométrique qui recombine les faisceaux provenant de quatre télescopes (soit les grands télescopes UT de 8 m, soit les télescopes auxiliaires AT de 1,8 m) pour réaliser de l’imagerie à haute résolution ou de l’astrométrie de haute précision. Dans le cas de HD 206893 B, les grands télescopes ont été utilisés. En 2024, les observations ont été réalisées à une cadence allant de la journée à quelques semaines, de façon à suivre au mieux le mouvement d’un éventuel satellite autour de la naine brune.

Si la naine brune est accompagnée d’un satellite, son orbite autour de son étoile hôte est modulée d’une quantité Δ autour de celle du centre de gravité du système [naine brune + lune] (fig. 6). Les auteurs de l’étude montrent que la masse de la lune peut être déduite de la mesure de cette modulation si l’on connaît sa période de révolution. Ils montrent qu’une sensibilité de 10 μas (microseconde d’arc) permet de détecter une lune de la masse de Neptune autour d’un objet de 10 masses joviennes, si sa période est de l’ordre de la dizaine de jours. La limite de détection pour la masse de la lune est encore plus basse si la période de la lune est plus élevée ou si la masse de la planète est inférieure à 10 masses joviennes.

À partir des données astrométriques recueillies par GRAVITY, les auteurs de l’étude ont pu préciser de manière significative les orbites de la naine brune HD 206893 B et de la planète HD 206893 c. La masse du compagnon B est de 8 masses joviennes, légèrement plus faible que l’estimation précédente, et son orbite est quasi circulaire. L’orbite de la planète HD 206893 c est également circulaire et, avec les nouveaux calculs, presque coplanaire avec l’objet B, ce qui est une configuration dynamique bien plus stable que la précédente. Dans un deuxième temps, les auteurs ont étudié les écarts résiduels entre les données astrométriques et le modèle pour en déduire la masse de la lune et sa distance à l’objet B. Les résultats convergent vers une masse de 0,5 masse jovienne et une distance de 0,22 ua ; la modulation due à la présence de la lune est alors de 0,15 milliseconde d’arc, conformément à ce qui est observé. Cependant, de l’avis des auteurs de l’étude, on ne peut pas encore conclure définitivement à la présence de l’exolune et d’autres mesures avec GRAVITY seront nécessaires pour réduire encore les incertitudes sur les paramètres de l’exolune.

De l’eau dans l’atmosphère de la naine brune

En complément aux mesures astrométriques, un spectre de la naine brune a été obtenu par GRAVITY dans l’infrarouge proche (fig. 7). Comme la naine brune est jeune (110 millions d’années) et éloignée de son étoile, ce spectre correspond à l’émission thermique de l’objet. Une comparaison avec les modèles synthétiques indique une température de 1 400 K. On note aussi la présence d’une bande d’émission très large, maximale autour de 2,2 μm, attribuée à la vapeur d’eau.

En conclusion, la tentative de détection d’une exolune obtenue avec GRAVITY est sans doute la première étape d’une piste de recherche prometteuse. L’astrométrie présente en effet des avantages certains pour rechercher des satellites autour des compagnons – exoplanètes ou naines brunes – éloignés de leur étoile hôte, dans des situations où les méthodes traditionnelles de détection sont en défaut. D’autres exoplanètes particulièrement massives, AF Lep b et b Pic b, dont les orbites sont bien connues, ont été repérées par les astrométristes comme des cibles potentielles prometteuses dans un avenir proche. La mise en place progressive de GRAVITY+, doté d’un système d’optique adaptative encore plus performant, améliorera la résolution spatiale jusqu’à la milliseconde d’arc et la précision astrométrique jusqu’à la dizaine de microsecondes d’arc. Il n’y a plus qu’à attendre la confirmation de l’existence des exolunes, cette nouvelle classe d’objets qui peuple sans doute l’Univers mais qui reste à découvrir.

Article écrit par Thérèse Encrenaz │ Observatoire de Paris-PSL

[Notes]

1. l’Astronomie n^o202, p. 10, mars 2026.
2. l’Astronomie n^o195, juillet-août 2025.
3. Batygin K. et Morbidelli A., « Formation of giant planet satellites », Astrophys. J., 894, 143, 2020.
4. Kral Q. et al., « Exomoon search with VLTI/GRAVITY around the substellar companion HD 206893 B », Astron. Astrophys., 705, A217, 2026.

Figures

.

.

.

.

 .

.