Dans les amas d'étoiles ouverts, on retrouve une proportion bien plus élevée que la normale d'exoplanètes similaires à Jupiter, mais situées très proches de leur étoile. Des chercheurs sont parvenus à expliquer pourquoi.
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Depuis déjà plusieurs années, les chercheurs le constatent : on trouve dans les amas stellaires bien plus de Jupiter chaudes qu'ailleurs. Ces exoplanètes gazeuses tirent leur nom de leur composition, leur taille, similaire à celle de JupiterJupiter, mais aussi de leur température élevée, qui dépasse plusieurs centaines de degrés Celsius. Celle-ci vient de leur proximité avec leur étoile, la distance les séparant étant inférieure ou égale à celle entre Mercure et le Soleil. Orbitant la plupart du temps autour d'étoiles similaires au Soleil, les Jupiter chaudesJupiter chaudes ont été découvertes en 1995 grâce à la méthode des vitesses radialesméthode des vitesses radiales, lors de la détection de 51 Pegasi b.
Depuis, environ 1 % des exoplanètes détectées en sont. Sauf dans les amas d'étoiles, où elles s'y trouvent entre 5 et 10 fois plus abondantes. Si un lien avec la proximité des étoiles dans les amas était supposé, une nouvelle étude publiée sur arXiv met en lumièrelumière le mécanisme entier. Et il implique bien les interactions entre étoiles au sein des amas ! Plus exactement, tout se joue lors de la formation d'étoiles binairesbinaires.
Des exoplanètes qui ont migré tardivement
Lorsque quelques centaines à quelques dizaines de milliers d'étoiles se forment dans un même nuagenuage moléculaire, créant ce qu'on appelle un amas ouvert, elles tendent à s'éloigner les unes des autres. Notre Soleil aurait d'ailleurs été formé dans un amas stellaire ouvert, et s'en serait par la suite extirpé ! Mais les étoiles qui composent un amas ouvert restent proches les unes des autres, si bien que certaines interagissent au point de passer d'un système isolé à un système binairesystème binaire ! Et c'est ensuite là que tout se joue pour la formation d'une Jupiter chaude.
L'hypothèse des chercheurs, qui avait déjà été avancée précédemment, est que les Jupiter chaudes, ou au moins une partie d'entre elles, se forment initialement loin de leur étoile, tout comme notre Jupiter. En effet, les conditions régnant trop proches de l'étoile sont défavorables à la formation de planètes. Selon cette hypothèse, ces exoplanètes étaient initialement des corps solidessolides, formés au-delà de la ligne de glace, la distance à partir de laquelle toute espèce chimiqueespèce chimique se trouve sous forme solide. Tout comme NeptuneNeptune et UranusUranus. C'est en se rapprochant de leur étoile que ces astresastres seraient passés de géante de glace à géante gazeusegéante gazeuse. Un scénario appelé migration à haute excentricitéexcentricité.
Pour étudier plus précisément comment se déroule ce processus, les chercheurs ont effectué des simulations Monte-Carlo, qui leur ont permis de modéliser « l'évolution d'une géante gazeuse autour d'une étoile de massemasse solaire sous l'influence d'interactions successives avec des étoiles binaires et uniques ». Ils ont ainsi trouvé qu'une fois l'étoile compagne présente, elle peut exciter des « oscillations de von Zeipel-Lidov-Kozai », aussi appelées « mécanisme de Kozai ». Il prend place lorsque trois corps sont en interaction, dans ce cas deux étoiles et la planète géanteplanète géante située encore loin de son étoile. L'orbiteorbite de la planète se modifie : son excentricité augmente, donc sa trajectoire devient de plus en plus elliptique, si bien que la planète passe très proche de son étoile.
Des oscillations menant à un rapprochement de la géante
C'est lors de ce passage que la planète peut ensuite être capturée par l'influence gravitationnelle de l'étoile, cette fois dans une orbite très rapprochée ! « L'excentricité de la planète est fortement excitée, conduisant à une très petite distance au péricentre ; puis de fortes interactions de maréemarée sont activées, qui rétrécissent et circularisent l'orbite de la planète, formant une Jupiter chaude », décrit l'étude. Selon les chercheurs, ce type de processus ne se produit que dans environ 2 % des étoiles d'un amas ouvert, mais pourrait bien expliquer le pourcentage trop élevé de Jupiter chaudes dans les amas ouverts.
Les chercheurs ont aussi établi que « 20 % des planètes sont éjectées de leur étoile hôte en raison de la diffusiondiffusion stellaire » et dans environ 4 % des cas selon le modèle utilisé, le mécanisme de Kozai conduit à une collision entre la planète et son étoile, ou à un déchirement par les forces de marée. Enfin, plus rarement, environ 0,1 % des planètes géantes peuvent migrer sans nécessiter l'ajout d'une étoile compagne. Ils concluent sur la dépendance de ces pourcentages avec les propriétés de l'amas d'étoiles comme sa densité ou le type d'étoiles qu'il contient, et sur le fait qu'ils n'ont ici étudié qu'un seul type d'étoile, possédant une seule planète. C'est ainsi un mécanisme parmi d'autres qu'ils ont identifié.
Dans cet amas d'étoiles, les « Jupiter chaudes » pullulent curieusement
Article de l'ESOESO, publié le 23/06/2016
Il y a trop de planètes de type Jupiter chaude dans l'amas d'étoiles Messier 67. Ce surprenant résultat vient des observations de plusieurs instruments, parmi lesquels le spectrographespectrographe Harps, de l'observatoire de La Silla de l'ESO, au Chili. L'environnement plus dense d'un amas favorise de plus fréquentes interactions entre planètes et étoiles proches, ce qui peut expliquer cet excès de géantes gazeuses proches si près de leur soleil.
Une équipe chilienne, brésilienne et européenne, emmenée par Roberto Saglia de l'institut Max PlanckMax Planck dédié à la PhysiquePhysique Extraterrestre, Garching, Allemagne, et Luca Pasquini de l'ESO, a collecté, plusieurs années durant, des mesures très précises concernant 88 étoiles de Messier 67. Cet amas ouvert d'étoiles a le même âge que le Soleil, et notre Système solaireSystème solaire est probablement issu d'un environnement de densité semblable.
Afin de détecter les signatures de planètes géantes dotées de courtes périodes orbitalespériodes orbitales, et notamment l'oscillation stellaire générée par la présence d'un objet massif situé à proximité - une planète de type Jupiter chaude en l'occurrence -, l'équipe a utilisé divers instruments, dont Harps (High Accuracy Radial velocity Planet Searcher). La signature d'une telle Jupiter chaude est ainsi apparue sur trois des étoiles de l'amas. Ces signatures s'ajoutent aux preuves antérieures de l'existence de plusieurs autres planètes.
Un laboratoire pour tester les théories de la formation planétaire
Une Jupiter chaude est une exoplanète géante dont la masse est supérieure au tiers de celle de Jupiter. Elles sont qualifiées de chaudes parce qu'elles orbitent à proximité de leurs étoiles hôtes, comme en témoignent leurs périodes orbitales inférieures à dix jours. En ce sens, elles diffèrent notablement de notre Jupiter, dont la révolution autour du Soleil avoisine les 12 années terrestres et dont la température de surface est inférieure à celle de la Terre.
« Nous souhaitons utiliser un amas ouvert d'étoilesamas ouvert d'étoiles comme un laboratoire afin de sonder les propriétés des exoplanètes et de tester la validité des théories de formation planétaire, explique Roberto Saglia. Dans le cas présent, de nombreuses étoiles sont probablement entourées de planètes. En outre, Messier 67 constitue un environnement dense, au sein duquel les systèmes solaires ont dû se former. »
L'étude montre que les Jupiter chaudes sont plus nombreux à orbiterorbiter autour d'étoiles de l'amas Messier 67 qu'autour d'étoiles situées hors amas. « Ce résultat est particulièrement surprenant, s'enthousiasme Anna Brucalassi, qui a conduit l'analyse. Les nouveaux résultats indiquent que 5 % des étoiles de Messier 67 sont entourées de Jupiter chaudes - ce taux est de 1 % pour les étoiles hors amas. »
Aux dires des astronomesastronomes, il est hautement improbable que ces géantes exotiquesexotiques se soient formées à l'endroit où nous les détectons aujourd'hui, les conditions régnant à si grande proximité de leur étoile hôte ne favorisant pas la formation de géantes gazeuses. Il semblerait plutôt qu'elles se soient formées à plus grande distance, comme ce fut probablement le cas de Jupiter, puis qu'elles aient migré en direction de leur étoile hôte. Jadis froides et distantes, ces exoplanètes géantes sont à présent beaucoup plus chaudes. La raison de leur migration vers l'intérieur de leur système solaire pose question.
Sur cette vidéo d'artiste figurent des planètes de type Jupiter chaude en orbite proche autour d'étoiles du riche et vieil amas Messier 67 dans la constellation du Crabe. Les astronomes ont découvert, au sein de l'amas, bien plus de planètes de ce type qu'attendu. Ce surprenant résultat fait suite à l'utilisation de divers télescopes et instruments, parmi lesquels le spectrographe Harps à l'observatoire de La Silla de l'ESO, au Chili. L'environnement plus dense d'un amas favorise de plus fréquentes interactions entre planètes et étoiles proches, ce qui peut expliquer cet excès de Jupiter chaudes. © ESO, L. Calçada, M. Kornmesser
Des migrations planétaire causées par un milieu dense en étoiles ?
Plusieurs scénarios sont envisageables. Toutefois, les auteurs attribuent préférentiellement cette migration aux interactions gravitationnelles avec des étoiles voisines, voire avec des planètes de systèmes solaires voisins. L'environnement proche peut effectivement avoir un impact non négligeable sur l'évolution d'un système solaire.
Dans un amas tel que Messier 67, constitué d'étoiles situées à plus grande proximité qu'à l'accoutumé, de telles rencontres seraient bien plus fréquentes, ce qui expliquerait la densité particulièrement élevée de Jupiter chaudes.
Luca Pasquini de l'ESO, co-auteur et co-directeur de cette étude (voir l'article sur arXiv), revient sur l'histoire récente de la chasse aux exoplanètes au sein d'amas : « Voici quelques années, aucune Jupiter chaude n'avait encore été détectée au sein d'amas ouverts. En l'espace de trois ans, nous sommes passés d'une absence totale de planète de ce type... à un excès ! »
