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L'étrange orbite de l'exoplanète HAT-P-7b

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Elle tourne autour de son étoile de façon rétrograde ou bien selon une orbite polaire. Dans les deux cas, HAT-P-7b est une bien curieuse planète. C'est pourtant la conclusion de deux équipes indépendantes. Ce comportement atypique pourrait provenir de ce qu'on appelle le mécanisme de Kozai.

Schéma montrant les deux orbites possibles pour l'exoplanète HAT-P-7b. En haut c'est le cas polaire et en bas le cas rétrograde. Crédit : Simon Albrecht.jpg

Découverte en 2008, HAT-P-7b avait déjà fait parler d'elle après les observations de Kepler. Située à 1.044 années-lumière de la Terre dans la constellation du Cygne, et en orbite autour de l'étoile HAT-P-7, cette exoplanète est plus grande que Jupiter d'environ 37%. Elle a été découverte par la méthode du transit, c'est-à-dire par l'étude de la baisse de luminosité de l'étoile lorsqu'une planète l'éclipse partiellement.

Pour que le phénomène soit visible, il faut que l'orbite de la planète soit correctement inclinée par rapport à la ligne de visée depuis la Terre mais aussi que nous la regardions au bon moment. Une telle situation est peu probable mais, pourtant, l'observation d'un transit est une bonne méthode pour détecter des exoterres.

De manière générale, c'est une bonne stratégie pour essayer de comprendre les liens entre apparition de la vie sur Terre et propriétés de notre système solaire que de déterminer si l'architecture de ce dernier est commune ou au contraire représente l'exception dans l'Univers. Si l'on en croit des simulations numériques récentes, le cortège de planètes tournant toutes dans le même sens et presque dans le même plan selon des orbites relativement stables et avec des faibles excentricités, une situation à laquelle nous sommes habitués, est probablement une rareté.

Toutefois, ce ne sont pas les simulations numériques mais bien les observations qui décident du statut des théories. A cet égard, les conclusions auxquelles sont parvenus simultanément deux groupes d'astronomes dirigés par Joshua Winn et Norio Narita concernant l'exoplanète HAT-P-7b sont intéressantes.

En mettant à profit l'effet Rossiter-McLaughlin, les astronomes ont découvert que soit la planète orbitait autour de son étoile hôte selon une orbite rétrograde, soit, plus surprenant encore, selon une orbite polaire (cf le schéma en bas de cet article).

L'effet Rossiter–McLaughlin est un bon moyen pour déterminer rapidement lors d'un transist planétaire le sens de rotation d'une étoile par rapport à celui d'une planète. Si l'orbite est prograde comme ici, le spectre de l'étoile (mélange de lumières décalées vers le rouge et vers le bleu par l'effet Doppler) apparaît au moment du transit d'abord décalé vers le rouge puis vers le bleu. Dans le cas rétrograde, c'est l'inverse. Crédit : Nicholas Shanks

Echanger l'excentricité d'une orbite et une forte inclinaison, c'est possible

On connaissait déjà le cas de WASP-17b, orbitant de manière rétrograde, et celui de XO-3b, sur une orbite polaire (quoiqu'on ne soit pas sûr qu'il ne s'agisse pas d'une naine brune plutôt que d'une exoplanète). Autant dire que cette nouvelle observation d'une exoplanète laisse les chercheurs un peu plus perplexes.

En effet, la théorie de la formation des planètes implique qu'elles se forment dans un disque et les images fournies par Hubble et Spitzer ont remarquablement confirmé cette prédiction au cours des années. A priori, une orbite fortement inclinée pour une grosse planète semble exclue. Bien que moins intrigante, une orbite rétrograde est aussi problématique car la matière du disque dans laquelle les planètes se forment tourne dans le même sens que celui de la rotation de l'étoile. En effet, c'est une conséquence de la conservation du moment cinétique pour un nuage de gaz en rotation s'effondrant sur lui-même pour donner une étoile.

Ce n'est pas la première fois que des observations s'inscrivent en faux par rapport aux modèles numériques et analytiques de la formation des planètes. La découverte des Jupiter chauds orbitant près de leurs étoiles hôtes avait été une surprise totale. Faut-il en conclure que le modèle d'accrétion à partir d'un disque de gaz et de poussières n'est pas le seul mode de formation d'un système planétaire ?

Rien n'est moins sûr !

En effet, certains spécialistes de la mécanique céleste avaient déjà prédit qu'on observerait un jour des systèmes planétaires comme XO-3b et HAT-P-7b. Il s'agirait de l'illustration d'un mécanisme déjà connu dans le système solaire avec les astéroïdes et découvert en 1962 par Yoshihide Kozai.

La résonance de Kozai, comme on l'appelle, permet, lorsque l'on considère le mouvement de trois corps célestes, d'échanger excentricité et inclinaison pour l'orbite d'un de ces corps. Ainsi, une orbite faiblement inclinée mais très excentrique peut devenir fortement inclinée mais proche d'un cercle, et inversement.

Dans le cas de HAT-P-7b, un troisième corps céleste de masse importante (une planète ou une étoile peu brillante) aurait donc perturbé le mouvement de l'exoplanète, qui se serait bien formée dans un disque protoplanétaire et avec une orbite prograde.

Si l'orbite est polaire, cela signifie que l'inclinaison n'est que de l'ordre de 90° mais si l'orbite est rétrograde, alors, c'est que l'inclinaison est devenue supérieure à 90°. Pour le moment, les deux interprétations sont possibles, même si l'équipe de Norio Narita favorise l'hypothèse d'une orbite rétrograde à l'aide des données du télescope Subaru.

On ne devrait pas tarder à en savoir plus grâce à l'amélioration des mesures. Les chercheurs attendent par exemple les nouvelles données sur HAT-P-7b recueillies par Kepler.

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