Deux exoplanètes sur des orbites perpendiculaires autour de la même étoile

Plus de 3.000 systèmes planétaires, abritant plus de 4.500 exoplanètes, sont connus à ce jour, avec des architectures très diverses : planètes plus ou moins grosses, plus ou moins proches de leur étoile, orbites plus ou moins alignées... Ces différents éléments, notamment l'alignement ou non des orbites planétaires avec l'équateuréquateur de leur étoile mais aussi entre elles au sein d'un système, peuvent être utilisés pour distinguer les scénarios d'évolution d'une étoile et de ses planètes.

Dans les scénarios de formation planétaire les plus courants, les planètes d'un système multiplanétaire se forment à l'intérieur d'un disque de gaz et de poussières. Après la dissipation du disque, les planètes devraient alors tourner autour de leur étoile dans le même plan orbital, perpendiculaire à l'axe de rotation de l'étoile. Cependant, différents mécanismes peuvent perturber ces plans orbitaux et mener les planètes sur des orbites mutuellement inclinées, par exemple des rencontres gravitationnelles entre différents corps ou la présence de compagnons extérieurs massifs dans le système.

Les orbites perpendiculaires des planètes de HD 3167 : joyaux de la constellation des Poissons. © Gilliane Devidal

Un système atypique...

L'étoile HD 3167, une naine orange (type spectral K0, 87 % du rayon et de la masse du SoleilSoleil) de magnitudemagnitude visuelle 9 (visible aux jumelles dans la constellationconstellation des PoissonsPoissons) située à environ 150 années-lumièreannées-lumière de nous, était déjà connue pour héberger trois planètes. La super-Terresuper-Terre HD 3167 b (1,7 fois le rayon de la Terre et 5 fois sa masse) fait le tour de l'étoile en seulement 23 heures. Les mini-NeptuneNeptune HD 3167 c (3 fois le rayon de la Terre et 10 fois sa masse) et HD 3167 d (au moins 7 masses terrestres) ont pour leur part des périodes orbitalespériodes orbitales de respectivement 29,84 et 8,51 jours, avec donc la planète d qui orbite entre les deux autres.

Étonnamment, HD 3167 b et c transitent devant l'étoile, mais pas HD 3167 d. Par ailleurs, la planète c était déjà connue pour se trouver sur une orbite polaire, très inclinée par rapport à l'axe de rotation de l'étoile. Son orbite est probablement presque coplanaire avec celle de HD 3167 d, bien qu'avec une inclinaison mutuelle probablement comprise entre 2,3 et 21°. Ces éléments indiquaient ainsi déjà une histoire dynamique compliquée pour le système.

Vincent Bourrier, professeur assistant au département d'astronomie de l'Université de Genève, et ses collègues ont voulu en avoir plus, notamment sur l'orientation relative des orbites des deux planètes qui transitent. Ils ont ainsi cherché à mesurer l'orientation du plan orbital de HD 3167 b.

...qui cache un compagnon massif ?

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs expliquent qu'ils ont utilisé le télescope spatial Cheops pour affiner les éphémérides de transittransit de HD 3167 b et le spectrographe Espresso pour mesurer l'alignement entre son orbite et la rotation de l'étoile. Grâce à une nouvelle technique baptisée technique de l'effet Rossiter-McLaughlin « Révolutions », ils ont ainsi déterminé que HD 3167 b est parfaitement alignée avec l'étoile et que son plan orbital est donc perpendiculaire à celui de HD 3167 c !

Projection du système HD 3167 dans le plan du ciel. L'axe de rotation de l'étoile est indiqué par une flèche noire partant du pôle Nord. L'équateur stellaire est représenté par une ligne noire. Le disque stellaire est coloré en fonction de son champ de vitesse radiale de surface. Les perpendiculaires aux plans orbitaux de HD 3167 b et HD 3167 c sont représentées respectivement par des flèches vertes et brunes. Les courbes pleines épaisses avec les couleurs correspondantes représentent les trajectoires orbitales qui collent le mieux aux données. Les lignes minces qui les entourent montrent l'intervalle d'incertitude. L'étoile, les planètes HD 3167 b et HD 3167 c (disques noirs) et leurs orbites sont représentées à l'échelle. HD 3167 d, qui orbite entre HD 3167 b et HD 3167 c, n'est pas représentée en raison de son inclinaison inconnue. Les deux panneaux correspondent aux deux configurations possibles, correspondant aux mêmes inclinaisons. © Bourrier et al. (2021).

Ces nouveaux résultats semblent confirmer la prédiction, faite en 2019, qu'un quatrième corps serait présent autour de HD 3167. Selon cette hypothèse, HD 3167 b serait restée dans le plan dans lequel elle s'est formée en raison de la proximité de son étoile, tandis que les deux mini-Neptunes, plus lointaines, ont pu se libérer de leur étoile, mais sont finalement tombées sous l'influence de ce quatrième corps, qui aurait progressivement désaligné leurs orbites. Ces résultats montrent également que les exoplanètes sur des orbites perpendiculaires, résultant d'interactions gravitationnelles avec des compagnons extérieurs, pourraient être un phénomène plus courant qu'on ne le pensait auparavant.

Pour affiner les propriétés des planètes et confirmer l'existence de ce compagnon, des observations de suivi du système par vélocimétrie, transits et imagerie directe seront nécessaires. La recherche du compagnon va se faire principalement par un suivi en vitessesvitesses radiales, voire des observations astrométriques avec GaiaGaia. En attendant, cette étude a fourni la première détection claire de l'effet Rossiter-McLaughlin pour une planète dont le diamètre est moins du double de celui de la Terre, ce qui est prometteur pour révéler l'architecture orbitale de systèmes abritant de petites exoplanètes.