Un étonnant système composé de six exoplanètes décrivant un ballet cosmique questionne les théories de formation planétaire
PUBLICATION DE L’ESO
Grâce à une combinaison de télescopes dont le Very Large Telescope de l’Observatoire Européen Austral (le VLT de l’ESO), des astronomes ont découvert un système composé de six exoplanètes, cinq d’entre elles participant à un véritable ballet cosmique autour de leur étoile centrale. Les chercheurs pensent que ce système pourrait offrir de nouvelles clés de compréhension de la formation et de l’évolution des planètes, y compris celles du Système Solaire.
↑ Cette vue d’artiste représente la vue du système TOI-178 depuis la planète la plus éloignée. Une nouvelle étude menée par Adrien Leleu et ses collègues au moyen de plusieurs télescopes, dont le Very Large Telescope de l’ESO, a révélé que le système se compose de six planètes dont cinq d’entre elles, toutes à l’exception de celle située à très grande proximité de l’étoile, sont entrainées dans un véritable ballet orbital. Au sein de ce système, les mouvements orbitaux présentent une certaine harmonie, au contraire des propriétés physiques des planètes, caractérisées par des densités bien différentes d’une orbite à la suivante. Un tel contraste questionne notre compréhension de la formation et de l’évolution planétaires. Cette vue d’artiste se base sur notre connaissance des paramètres physiques des planètes et de l’étoile observées, et utilise une base de données étendue des objets de l’Univers.
La première fois que l’équipe a observé TOI-178, une étoile située à quelque 200 années-lumière de la Terre dans la constellation du Sculpteur, il leur a semblé apercevoir deux planètes décrivant la même orbite autour de cette étoile. Un examen approfondi a révélé l’existence d’un système bien différent en réalité : « Des observations plus poussées nous ont permis de comprendre que le système n’était pas constitué de deux planètes orbitant à distance semblable de leur étoile, mais de plusieurs planètes situées dans une configuration bien particulière » précise Adrien Leleu de l’Université de Genève et de l’Université de Bern en Suisse, auteur principal de la nouvelle étude du système publiée ce jour dans la revue Astronomy & Astrophysics.
La nouvelle étude a révélé que le système se compose en réalité de six exoplanètes et que cinq d’entre elles – toutes à l’exception de celle située à très grande proximité de l’étoile centrale – décrivent un ballet cosmique lorsqu’elles se déplacent sur leurs orbites respectives. En d’autres termes, elles sont en résonance. Cela signifie que des configurations planétaires particulières se reproduisent à intervalles de temps réguliers, certaines planètes s’alignant à quelques orbites de distance. Une semblable résonance caractérise les orbites de trois des lunes de Jupiter : Io, Europe et Ganymède : pendant que Io complète 4 orbites, Europe en fait 2 et Ganymède une seule.
Les cinq exoplanètes extérieures du système TOI-178 suivent une chaîne de résonance bien plus complexe, l’une des plus longues découvertes à ce jour au sein d’un système planétaire. Trois des lunes de Jupiter suivent le schéma 4:2:1, tandis que les cinq planètes extérieures du système TOI-178 décrivent la chaîne 18-9-6-4-3, la seconde planète en partant de l’étoile (ou première de la chaîne de résonance) complète 18 orbites pendant que la troisième planète extérieure (ou seconde de la chaîne) en décrit 9, et ainsi de suite. A l’origine, les scientifiques ne connaissaient l’existence que de cinq des six planètes du système. Mais en suivant le rythme de cette résonance, ils ont déterminé par le calcul la position qu’occuperait la sixième planète lors de leur prochaine fenêtre d’observation.
Bien plus qu’une simple curiosité orbitale, cette danse opérée par des planètes en résonance fournit de précieux indices concernant l’histoire du système. « Les orbites de ce système planétaire sont parfaitement ordonnées, ce qui suggère que ce système a lentement et doucement évolué depuis sa naissance », explique Yann Alibert de l’Université de Bern, co-auteur de l’étude. Si ce système avait subi la moindre perturbation majeure par le passé, un impact géant en l’occurrence, cette fragile configuration orbitale n’aurait pas survécu.
Dissonance au sein du ballet planétaire
Bien que les orbites planétaires soient clairement distribuées et ordonnées, les planètes « présentent des densités assez aléatoires » précise Nathan Hara de l’Université de Genève en Suisse, qui a également pris part à l’étude. « Il apparaît en effet qu’une planète aussi dense que la Terre se situe non loin d’une planète cotonneuse caractérisée par une densité inférieure de moitié à celle de Neptune, suivie d’une planète de même densité que Neptune. Ce n’est pas ce à quoi nous sommes habitués ». Dans notre Système Solaire par exemple, les planètes sont correctement disposées, les rocheuses, de densités plus élevées, se trouvant à plus grande proximité de l’étoile centrale et les gazeuses, de moindres densités, à plus grande distance. « Le contraste entre l’harmonie rythmique du ballet orbital et la dissonance des densités planétaires questionne notre compréhension de la formation et de l’évolution des systèmes planétaires » conclut Adrien Leleu.
Combinaison de techniques
Pour étudier la configuration inhabituelle de ce système, l’équipe a utilisé des données du satellite CHEOPS de l’Agence Spatiale Européenne, de l’instrument sol ESPRESSO installé sur le VLT de l’ESO, du NGTS et de SPECULOOS opérant tous deux depuis l’Observatoire de Paranal de l’ESO au Chili. Les exoplanètes étant des objets extrêmement difficiles à détecter directement au moyen de télescopes, les astronomes doivent utiliser d’autres techniques. Parmi les méthodes les plus couramment utilisées figurent celle des transits qui consiste à observer la lumière émise par l’étoile centrale – en particulier la diminution de son intensité lorsqu’une exoplanète traverse la ligne de visée, et celle des vitesses radiales qui repose sur l’observation du spectre de la lumière émise par l’étoile – notamment les oscillations que produisent les déplacements des exoplanètes le long de leurs orbites. L’équipe a utilisé l’une et l’autre méthodes d’observation du système : CHEOPS, NGTS et SPECULOOS pour les transits, ESPRESSO pour les vitesses radiales.
La combinaison de ces deux techniques a permis aux astronomes de recueillir des informations essentielles concernant le système et les planètes qui le composent. Il apparaît ainsi qu’elles décrivent des orbites situées à plus grande proximité de leur étoile centrale que l’orbite terrestre à des vitesses supérieures à celle de notre Terre autour du Soleil. Ainsi, la planète la plus rapide (la plus proche également de son étoile) complète une orbite en quelques jours seulement, tandis que la plus lente (la plus lointaine également) requiert dix fois plus de temps. Les six planètes sont caractérisées par des dimensions comprises entre un et trois diamètres terrestres, leurs masses s’échelonnent entre 1,5 et 30 masses terrestres. Certaines d’entre elles sont rocheuses mais de dimensions supérieures à celles de la Terre – ce sont des super-Terres. D’autres sont gazeuses, à l’image des planètes externes de notre Système Solaire, mais de dimensions nettement inférieures – ce sont des mini-Neptunes.
Bien qu’aucune des six exoplanètes découvertes ne se situe dans la zone habitable de l’étoile, les chercheurs imaginent qu’en suivant la chaîne de résonance, ils pourraient détecter d’autres planètes potentiellement situées à l’intérieur ou en périphérie de cette région. L’Extremely Large Telescope de l’ESO (ELT), qui devrait être opérationnel avant la fin de cette décennie, sera en mesure d’imager directement les exoplanètes rocheuses situées dans la zone habitable d’une étoile et de caractériser leurs atmosphères, ce qui permettra de mieux connaître des systèmes tel TOI-178.
↑ Animation numérique montrant le fonctionnement du système planétaire TOI-178 et sur la résonance des 5 planètes les plus externes.
Localisation du système stellaire TOI-178 dans la constellation du Sculpteur
EN COMPLÉMENT, PUBLICATION DE L’ESA SUR LE MÊME SUJET :
↑ Ceci est un schéma d’artiste du système planétaire TOI-178. Le système comporte six exoplanètes, dont cinq sont verrouillées dans une rare danse rythmique en tournant autour de leur étoile. Les deux planètes les plus internes ont des densités comparables à celle de la Terre et les quatre autres sont gazeuses (avec des densités se situant entre celle de Neptune et de Jupiter). Les cinq planètes extérieures suivent une danse rythmique sur leurs orbites respectives. Ce phénomène s’appelle une résonance orbitale, ce qui veut dire qu’il y a des positions qui se répètent tout au long des rotations autour de l’étoile, avec certaines planètes s’alignant toutes les quelques orbites. Alors que le système TOI-178 tourne d’une manière très ordonnée, leurs densités ne suivent aucune logique particulière. L’une des exoplanètes, une dense planète de type “Terre” est juste à côté d’une planète de même taille, mais qui est très « duveteuse », comme une mini-Jupiter, et la suivante est très semblable à Neptune. Les astronomes ne s’attendaient pas à trouver ce genre de disposition dans un système planétaire, et cette découverte bouscule les théories actuelles sur la formation des planètes. Dans le schéma ci-dessus, les tailles relatives des planètes sont à l’échelle, mais pas les distances à l’étoile, ni la taille de l’étoile.
La découverte d’un nombre grandissant de systèmes planétaires, dont aucun ne ressemble à notre système solaire, continue à améliorer notre compréhension de la manière dont les planètes se forment et évoluent. Un exemple frappant est celui du système plantaire appelé TOI-178, à quelques 200 années-lumière dans la constellation du Sculpteur.
Les astronomes s’attendaient déjà à ce que cette étoile héberge deux exoplanètes au minimum après des observations réalisées avec le satellite de surveillance TESS de la NASA. De Nouvelles et plus précises observations avec Cheops, le satellite de caractérisation des exoplanètes de l’ESA, lancé en 2019, montre désormais que TOI-178 abrite au moins six planètes et que ce système a un agencement très unique. L’équipe menée par Adrien Leleu de l’Université de Genève et de l’Université de Berne en Suisse, ont publié leurs résultats aujourd’hui dans Astronomy & Astrophysics.
Dans le système de TOI-178, les mouvements de résonance sont beaucoup plus complexes que l’exemple de Jupiter, d’abord car elle concerne cinq planètes suivant un rythme de 18-9-6-4-3. Pendant que la seconde planète (en partant de l’étoile) accomplit 18 orbites, la troisième planète (seconde dans le schéma de résonance) accomplit neuf orbites, etc.
Après avoir découvert cette disposition rare, les scientifiques ont été curieux de comparer leurs tailles et leurs masses respectives pour voir si ces planètes suivaient un ordre comparable. Pour le savoir ils ont combine les données de Cheops avec des données de télescopes terrestres, à savoir ceux de l’ESO au Chili, notamment le VLT.
Mais les résultats n’étaient pas ceux attendus. Adrien dit « Dans les quelques systèmes que nous connaissons où les planètes sont en résonance, les densités des planètes décroissent avec leur éloignement à l’étoile, et c’est ce que nous nous attendions à trouver en suivant la théorie ». Des évènements catastrophiques telles que des impacts géants pourraient expliquer de telles variations dans les densités des planètes, mais le système TOI-178 ne serait pas si nettement en harmonie si cela avait été le cas.
« Les orbites de ce système sont si bien ordonnées que cela signifie que ce système a évolué paisiblement depuis sa naissance », explique le co-auteur Yann Alibert de l’Université de Berne.
La révélation de l’architecture complexe du système TOI-178, qui défie les théories actuelles quant à la formation de planètes, a été possible grâce à 12 jours d’observations avec Cheops (11 jours en continu plus deux observations plus courtes).
« Résoudre ce puzzle excitant nécessite de gros efforts de planification, en particulier de prévoir les 11 jours d’observations continues pour déterminer les signatures de chacune des planètes » dit Kate Isaak, scientifique projet sur Cheops de l’ESA. “Cette étude illustre parfaitement le potentiel de suivi généré par Cheops, non seulement pour mieux caractériser les exoplanètes connues, mais également pour en trouver d’autres et les confirmer ».
Adrien et son équipe veulent continuer à utiliser Cheops pour étudier le système de TOI avec encore plus de détails. « Nous pourrions trouver plus de planètes situées en zone d’habitabilité, où l’eau liquide pourrait être présente à la surface, ce qui commence en dehors des orbites de planètes que nous avons découvertes à ce jour » dit Adrien. « Nous voulons aussi trouver ce qui est arrivé à la planète la plus interne du système TOI, celle qui n’est pas en résonance avec les autres. Nous supposons qu’elle a rompu sa capacité de résonance en raison des forces de marée ».
Les astronomes utiliseront Cheops pour observer des centaines d’exoplanètes connues en orbite autour de leurs étoiles brillantes. « Cheops ne va pas seulement approfondir notre compréhension de la formation des exoplanètes, mais aussi de celle de notre propre planète et du système solaire », ajoute Kate.
© ESO et ESA 25 Janvier 2021
Traduction de la partie publiée par l’ESA : Olivier Sabbagh