LISA pourrait détecter des planètes dans des systèmes de deux naines blanches

Un signal gravitationnel qui pourrait trahir la présence d’une planète

Deux études menées par des astrophysiciens de la NASA décrivent comment l’observatoire spatial LISA pourrait détecter une population d’exoplanètes encore jamais observée : des planètes en orbite autour de systèmes binaires de naines blanches. La méthode proposée consiste à rechercher la trace de la planète dans les ondes gravitationnelles émises par les deux étoiles compactes. Il ne s’agit pas de détections déjà réalisées : LISA est en développement et son lancement est prévu pour le milieu des années 2030, selon la NASA.

Les naines blanches sont des résidus de la taille de la Terre, laissés par des étoiles comme le Soleil. Bien que des exoplanètes aient été découvertes autour de certaines naines blanches isolées, la NASA indique qu’aucune n’a encore été découverte autour d’une paire de naines blanches. Si cette stratégie fonctionne, ces mondes constitueraient une population distincte d’exoplanètes.

La proposition repose sur le fait que les deux étoiles d’un système binaire serré produisent des ondes gravitationnelles à une fréquence presque continue. Si une planète suffisamment massive est en orbite autour de l’ensemble, sa gravité fait subir au système binaire un mouvement réflexe. Ce déplacement module le signal : des bandes latérales apparaissent, c’est-à-dire des signaux secondaires à des fréquences légèrement supérieures et inférieures à la fréquence principale. Selon l’équipe, ces variations pourraient révéler la présence de la planète.

Du mouvement stellaire aux ondes gravitationnelles

Le raisonnement présente un parallèle méthodologique avec la méthode des vitesses radiales, qui utilise la lumière pour rechercher des planètes autour d’étoiles proches. Avec cette méthode, l’attraction gravitationnelle de la planète provoque un léger mouvement de va-et-vient de l’étoile ; ce mouvement modifie périodiquement le spectre de sa lumière par effet Doppler. Pour LISA, le signal recherché ne serait pas un déplacement de raies spectrales, mais une modulation Doppler des ondes gravitationnelles émises par la paire de naines blanches.

La NASA compare les bandes latérales à celles qui sont générées dans les communications radio autour d’une fréquence porteuse. Dans cette analogie, les signaux secondaires contiennent des informations sur la planète, même si l’observation réelle nécessitera d’interpréter la forme du signal gravitationnel. La possibilité de rechercher avec LISA des exoplanètes dans des systèmes binaires de naines blanches avait été proposée pour la première fois en 2008, selon la même source.

La mission sera composée de trois engins spatiaux qui suivront la Terre dans son orbite autour du Soleil. Ensemble, ils formeront une configuration triangulaire dont les côtés mesureront 1,6 million de miles (2,5 millions de kilomètres). Les engins mesureront d’infimes variations des distances qui les séparent au moyen de signaux laser infrarouges ; ces variations permettront de détecter le passage des ondes gravitationnelles. La NASA participe à la mission, dirigée par l’Agence spatiale européenne, et fournit des télescopes, d’autres composants, ainsi qu’un appui technique et scientifique.

Ce que les études examineraient et ce qu’il reste à démontrer

Les deux articles décrits par la NASA ont paru mardi dans The Astrophysical Journal. Le premier, signé uniquement par Casey McGrath, analyse la méthode de détection et détermine quelles masses planétaires et quelles périodes orbitales seraient les plus favorables. Le second, écrit par McGrath et ses coauteurs, examine comment confirmer les planètes candidates avec le télescope spatial James Webb. Les informations disponibles ne précisent pas la date calendaire correspondant à « mardi ».

La méthode de confirmation proposée tire parti de la sensibilité infrarouge de Webb. Selon l’équipe, une planète dans un système binaire de naines blanches produirait un excès de lumière infrarouge par rapport à ce que l’on attendrait des seules étoiles. Les instruments de Webb pourraient détecter cet excès à une distance d’au moins 500 années-lumière. Dans un système test, les chercheurs estiment que Webb pourrait détecter une exoplanète d’environ cinq fois la masse de Jupiter ; LISA, dans des circonstances idéales, pourrait en détecter une dont la masse est inférieure à celle de Jupiter. Il s’agit d’estimations pour le cas décrit, et non de résultats d’observations de planètes confirmées.

La confirmation est importante, car un signal candidat ne suffit pas, à lui seul, à établir l’existence d’une planète. La NASA présente l’observation conjointe comme un moyen de valider certains candidats et de distinguer les véritables signaux planétaires des faux positifs. Les informations disponibles présentent une stratégie de détection et de confirmation future ; elles ne font état d’aucune découverte observationnelle d’exoplanètes dans des systèmes binaires de naines blanches.

Une population possible, pas un recensement confirmé

Les astronomes estiment que la Voie lactée contient 10 millions de systèmes composés de deux naines blanches dont les périodes orbitales sont inférieures à une heure et qui produisent des ondes dans la gamme adaptée à LISA. Selon les prévisions citées par la NASA, LISA pourrait résoudre environ 10.000 systèmes individuels, ainsi qu’environ 100 systèmes binaires mixtes — avec des naines blanches, des étoiles à neutrons ou des trous noirs — ayant des périodes similaires. Ces chiffres correspondent à des estimations des systèmes que la mission pourrait observer, et non à un décompte des planètes détectées.

La portée de la recherche dépendra de la capacité de LISA à mesurer la modulation prévue et de la possibilité de confirmer les signaux candidats. Webb fournirait une vérification complémentaire dans l’infrarouge, mais les chiffres de sensibilité communiqués concernent un système test et des conditions spécifiques. Pour l’instant, cette proposition élargit les pistes possibles pour étudier les exoplanètes : elle exploite les ondes gravitationnelles pour rechercher des mondes dans une configuration stellaire différente de celles explorées jusqu’à présent, sans pour autant signifier que cette population a déjà été découverte.

Références