Une exoplanète géante gazeuse deux fois et demie moins dense que Saturne, baptisée TOI-3757 b, a été détectée en orbite autour d'une étoile naine rouge.

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Une exoplanète géante gazeuse, décrite comme ayant « la densité d'une guimauve », a été détectée en orbite autour d'une étoile naine rouge. Cette Jupiter chaude, désignée TOI-3757 b, s'avère être la planète la moins dense jamais trouvée autour de ce type d'étoile. Sa découverte et son étude sont décrites dans une étude de Shubham Kanodia, chercheur au Earth and Planets Laboratory de la Carnegie Institution for Science, et ses collègues parue dans The Astronomical Journal.

Une rare planète géante autour d'une naine rouge

TOI-3757 est une étoile naine rouge (type spectral M0V) de la constellation du Cocher, située à 578 années-lumière de la Terre. Elle a un diamètre et une masse égaux respectivement à 62 et 64 % de ceux du Soleil. Cette étoile, d'une magnitude visuelle de 14,8, est environ 3 000 fois trop faible pour être visible à l'œil nu.

La planète TOI-3757 b a été découverte et sa taille évaluée grâce à l'observation, en 2019, de ses transits par le Transiting Exoplanet Survey Satellite (Tess). Un transit supplémentaire a ensuite été observé en 2021 avec le télescope de 0,6 mètre de l'Observatoire de Red Buttes, dans le Wyoming (États-Unis). La géante gazeuse a ainsi un diamètre d'environ 150 000 kilomètres, c'est-à-dire 12 fois le diamètre de la Terre et un peu plus que celui de Jupiter (11 fois la Terre). Des observations d'imagerie, réalisées avec l'instrument Nessi installé sur le télescope Wiyn de 3,5 mètres à l'Observatoire national de Kitt Peak, en Arizona, ont permis d'exclure une contamination des données par une étoile d'arrière-plan.

La présence de la planète a été confirmée avec deux spectrographes installés aux États-Unis, à savoir le Habitable-zone Planet Finder (HPF), installé sur le télescope de 10 mètres Hobby–Eberly à l'Observatoire McDonald, au Texas, et Neid, également sur le télescope Wiyn. À partir des vitesses radiales mesurées, Shubham Kanodia et ses collègues ont pu déterminer que la masse de TOI-3757 b est égale à environ 85 fois celle de la Terre et donc comparable à celle de Saturne (95 masses terrestres). Cette planète a, de ce fait, une masse volumique moyenne de seulement 0,27 g/cm3, deux fois et demie plus faible que celle de Saturne (0,69 g/cm3), la planète la moins dense du système solaire, et environ un quart de la densité de l'eau !

Cette découverte enrichit le petit échantillon d'une dizaine de géantes gazeuses connues autour de naines rouges, mais aussi la faible densité de TOI-3757 b permet également de tester les théories de formation de la planète.

Vue d'artiste d'une planète géante gazeuse ultra pelucheuse en orbite autour d'une étoile naine rouge. © NOIRLab
Vue d'artiste d'une planète géante gazeuse ultra pelucheuse en orbite autour d'une étoile naine rouge. © NOIRLab

Une cible de choix pour étudier la formation et l'atmosphère des planètes

Les chercheurs émettent deux hypothèses pour expliquer la faible densité de TOI-3757 b.

On pense que les géantes gazeuses commencent sous forme de noyaux rocheux d'environ dix fois la masse de la Terre, moment à partir duquel elles attirent rapidement de grandes quantités de gaz pour former les géantes gazeuses que l'on connaît aujourd'hui. L'étoile TOI-3757 a une métallicité, c'est-à-dire une proportion d'éléments autres que l'hydrogène et l'hélium, similaire à celle du Soleil, mais c'est environ deux fois moins que la médiane des naines rouges hébergeant des géantes gazeuses. Cette caractéristique pourrait avoir entraîné une formation plus lente du noyau rocheux de la planète, retardant le début de l'accrétion de gaz et affectant ainsi la densité globale de la planète.

TOI-3757 b parcourt une orbite complète autour de son étoile en seulement 3,44 jours. À titre de comparaison, Mercure met 88 jours, c'est-à-dire 25 fois plus longtemps, pour faire le tour du Soleil. L'excentricité de l'orbite de la planète, estimée à 0,14, suggère que le réchauffement par effets de marée pourrait également être au moins partiellement responsable du gonflement du rayon de TOI-3757 b.

La faible densité et la grande hauteur d'échelle (un paramètre décrivant l'évolution avec l'altitude de la pression dans une atmosphère) de TOI-3757 b en font une excellente cible pour étudier par spectroscopie de transmission l'échappement et la composition de son atmosphère. « De futures observations potentielles de l'atmosphère de cette planète à l'aide du nouveau télescope spatial James-Webb de la Nasa pourraient aider à faire la lumière sur sa nature enflée », déclare Jessica Libby-Roberts, chercheuse postdoctorale à l'Université d'État de Pennsylvanie et deuxième auteure de l'étude.

En effet, les astronomes prédisent que, avec un seul transit observé avec JWST, nous devrions pouvoir trouver l'abondance d'eau et de méthane dans son atmosphère, ce qui permettrait de mieux connaître son rapport carbone/oxygène. La mesure des niveaux de méthane et d'ammoniac aiderait à évaluer la température à l'intérieur de TOI-3757 b, ce qui pourrait donner un aperçu du potentiel réchauffement par effets de marée. TOI-3757 b pourrait par ailleurs être utilisée pour tester la corrélation entre les atmosphères brumeuses et la densité planétaire.

« Trouver plus de systèmes de ce type avec des planètes géantes, qui étaient autrefois considérées comme extrêmement rares autour des naines rouges, fait partie de notre objectif pour comprendre comment les planètes se forment », précise Kanodia.