Impression d'artiste montrant une planète de la taille de Neptune dans le désert neptunien. Il est extrêmement rare de trouver un objet de cette taille et de cette densité si près de son étoile. © University of Warwick, Mark Garlick

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Des astronomes ont découvert le premier noyau d'une planète mis à nu

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[EN VIDÉO] Esocast : comment les exoplanètes sont-elles détectées ?  Les découvertes d'exoplanètes, qui tournent autour d'autres étoiles, se multiplient. Les scientifiques de l’Eso (European southern observatory ou Observatoire européen austral) utilisent diverses techniques afin de les mettre en évidence. Les explications dans cet épisode d’Esocast. 

Des chercheurs des universités de Berne et de Warwick ont découvert et étudié pour la première fois le noyau dégagé d'une exoplanète géante. L'astre nouvellement identifié, TOI 849 b, fournit ainsi l'occasion inespérée d'observer l'intérieur d'une planète et d'apprendre quelque chose sur sa composition.

En cette première moitié du XXIe siècle, l'Humanité a déjà détecté plus de 4.200 exoplanètes grâce à des yeux, au sol ou sur orbite, comme le VLT, au Chili ou le défunt satellite Kepler. Sa quête se poursuit avec de nouveaux instruments comme le satellite Tess (Transiting Exoplanet Survey Satellite) et bientôt le Télescope géant européen (en anglais, Extremely Large Telescope ELT ; anciennement European Extremely Large Telescope ou E-ELT).

Nous commençons donc à disposer de statistiques quant à l'existence de planètes potentiellement habitables, bien que cette notion soit à manier avec précaution comme l'a expliqué à Futura l'astrophysicien Franck Selsis, de sorte que l'on commence à poser des contraintes sérieuses sur certains des paramètres de la fameuse équation de Drake en exobiologie, comme on l'a vu récemment. Cela permet également d'en poser sur les modèles cosmogoniques décrivant la formation des systèmes planétaires et leur évolution, finalement par contrecoup sur celle du Système solaire. La découverte de Jupiter chaudes a, par exemple, contribué à faire prendre au sérieux la notion de migration planétaire à la fin des années 1990. L'investigation de ce phénomène, qui semble très fréquent, est toujours en cours.

Mojo, pour Modeling the origin of jovian planets (modélisation de l'origine des planètes joviennes), est un projet de recherche qui a donné lieu à une série de vidéos présentant la théorie de l'origine du Système solaire et, en particulier, des géantes gazeuses. On y aborde aussi la question des migrations planétaires et l'origine des superterres. On les doit à deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. Traduction et sous-titrage en cliquant sur la roue dentée en bas, à droite, de la vidéo. © Laurence Honnorat

Même si bien des mystères subsistent, on dispose donc tout de même de modèles de plus en plus performants pour comprendre la naissance non seulement des planètes du Système solaire mais aussi de celle des autres systèmes planétaires. Il existe une excellente série de vidéos sur la cosmogonie des planètes où deux célèbres chercheurs nous exposent les grandes lignes de la connaissance actuelle de la formation planétaire. Voici ci-dessus la première vidéo de cette série, qui en compte 11, et qui se penche notamment sur l'origine des planètes géantes, qu'il s'agisse de géantes gazeuses similaires à Jupiter ou Saturne, de géantes de glaces comme Uranus et Neptune ou encore des superterres.

Des exoneptunes qui migrent, chauffent et s'évaporent en superterres ?

Parmi les zones d'ombre restantes, il y a un fait curieux que l'on a découvert il y a quelque temps déjà en dressant un tableau des populations des exoplanètes en fonction de leurs tailles et de leurs distances à leur étoile hôte. Ce tableau permet de prendre conscience de l'existence de l'énigme des Neptunes chaudes manquantes.

Ce graphique représente les exoplanètes en fonction de leur taille et de la distance qui les séparent de leur étoile. Chaque point représente une exoplanète. Les planètes de la taille de Jupiter (situées en haut du graphique) et les planètes de la taille de la Terre et les superterres (en bas) se trouvent à toutes les distances de leur étoile. Mais les planètes de la taille de Neptune sont rares près de leur étoile. Ce désert de Neptunes chaudes (Hot Neptune Desert) montre que de tels mondes extraterrestres sont rares ou bien, ils étaient abondants à une époque, mais ont depuis disparu (un mile vaut environ 1,6 km). © Nasa, ESA and A. Feild (STScI)

En effet, on voit très bien, sur le diagramme ci-dessus, qu'il existe une région mystérieusement dépeuplée indiquant un faible nombre d'exoplanètes de la taille de Neptune qui auraient migré loin de leur lieu de formation, nécessairement au-delà de la fameuse ligne des glaces qui marque la séparation entre les planètes telluriques et les planètes géantes (celles-ci ne pouvant se former qu'au-delà de la ligne des glaces), pour se retrouver très proches de leur soleil. Concrètement, à part des exoterres, on ne trouvait, à de pareilles distances, que des Jupiters ou des superterres chaudes.

Pour expliquer ce phénomène curieux, on peut faire intervenir une inhibition de la formation des exoneptunes ou de leur migration et ce, d'autant plus que l'on observe bien l'existence de Jupiters chaudes. D'une certaine façon, les Neptunes chaudes devaient avoir disparu, mais par quel mécanisme ?

Les modèles de formation des géantes gazeuses ou de glaces permettent de penser qu'elles peuvent contenir initialement un noyau rocheux important, suffisamment parfois d'ailleurs pour être de la taille et de la masse d'une superterre, c'est-à-dire moins de 10 masses terrestres et d'un rayon inférieur à deux fois celui de notre Planète environ, mais supérieur à 1,25 fois celui de la Terre (il existe quelques variations dans la littérature à ce sujet). Il était donc imaginable que, suite à leur migration, et donc suffisamment proches d'une jeune étoile ayant un rayonnement particulièrement érosif pour leur atmosphère déjà particulièrement chauffée, les exoneptunes pouvaient perdre de la masse et s'évaporer jusqu'à se transformer en superterres. Une partie de la population observée serait donc simplement les restes des Neptunes chaudes perdues.

Les astrophysiciens d'une équipe internationale sont peut-être précisément devant un exemple de ce scénario et ses variantes, comme ils l'expliquent dans un article paru dans le journal Nature et dont on peut trouver une première version en accès libre sur arXiv.

Le premier cœur d'exoplanète géante mis à nu observé ?

Il concerne une exoplanète initialement découverte par la méthode des transits avec le satellite Tess, qui a fourni son rayon, et dont l'existence a été confirmée et la masse déterminée en utilisant la méthode des vitesses radiales avec le spectrographe Harps du VLT de l'ESO, au célèbre observatoire de La Silla au Chili (voir la première vidéo en introduction de cet article exposant ces méthodes).

TOI-849b, c'est son nom, est une exoplanète en orbite autour d'une étoile de type solaire à environ 730 années-lumière de la Terre. Sa température de surface est élevée, environ 1.500 °C, car elle boucle son orbite autour de son soleil en seulement 18 heures. Avec un rayon de 3,4 rayons terrestres et une masse environ 40 fois plus importante que celle de notre Planète bleue, il est clair que TOI 849 b est un astre particulièrement dense qui doit être formé principalement de fer, de roches silicatées et d'eau, mais de seulement très peu d'hydrogène et d'hélium. Ce n'est donc pas une Neptune chaude.

L'équipe dirigée par David Armstrong, du Département de physique de l'université de Warwick, et Christoph Mordasini, de l'Institut de physique de l'université de Berne qui, lui, a dirigé l'interprétation théorique de la découverte, pensent que l'on est devant un splendide exemple d'un noyau d'exoplanète géante mis à nu dans le cas de TOI 849 b. Sa proximité relative au Système solaire en fait donc un objet de choix pour en apprendre plus sur ces noyaux et serait en fait le premier exemple clair de noyau exposé d'exoplanète connu à ce jour.

Dans le cas présent, deux hypothèses s'affrontent pour rendre compte de cette opportunité mise à disposition des planétologues cherchant à mieux comprendre ces astres et plus généralement la formation des exoplanètes géantes.

TOI 849 b, dont la taille est celle de Neptune, pourrait être un noyau similaire à celui existant à l'intérieur de Jupiter. Mais le processus d'emballement qui aurait normalement conduit ce noyau à s'entourer d'une vaste enveloppe d'hydrogène et d'hélium par effondrement gravitationnel brusque dans le disque protoplanétaire encore riche en gaz au début de la formation planétaire, ne se serait pas produit, quelles qu'en soient les raisons, et l'exoplanète aurait ensuite migré vers son étoile.

À l’université de Berne, le « modèle bernois de la naissance et du développement des planètes » est constamment développé depuis 2003. Le modèle réunit les connaissances de divers processus se déroulant lors de la naissance et du développement des planètes. Christoph Mordasini, dans cette vidéo, est un des chercheurs qui travaillent à Berne sur ce modèle. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Universität Bern

C'est ce qu'explique Christoph Mordasini dans un communiqué de l'université de Berne« Une fois que le noyau de la géante gazeuse s'est formé, quelque chose de très inhabituel se serait produit et il n'a jamais formé une atmosphère massive comme c'est le cas d'ordinaire. Cela aurait pu se produire s'il y avait une lacune dans le disque de poussière et de gaz à partir duquel la planète s'est formée en raison d'une interaction gravitationnelle avec la planète, ou si le disque était à court de matériau au moment même où l'accumulation de gaz s'enclenche normalement. »

L'autre hypothèse, c'est que TOI-849 b était bien initialement une géante avec une enveloppe de gaz conséquente mais qu'une collision avec un exoplanète a conduit cette enveloppe à une température suffisamment élevée pour provoquer son évaporation. Cette évaporation par chauffage et photo-ionisation aurait aussi pu se produire suite à la migration trop proche de l'étoile hôte de l'exoplanète.

Laissons le mot de la fin à David Armstrong : « C'est une première, nous disant que des planètes comme celle-ci existent et peuvent être trouvées. Nous avons l'opportunité de regarder le cœur d'une planète d'une manière que nous ne pouvons pas faire dans notre propre Système solaire. Il y a encore de grandes questions ouvertes sur la nature du noyau de Jupiter, par exemple, alors des exoplanètes étranges et inhabituelles, comme celle-ci, nous donnent une fenêtre sur la formation de planètes que nous n'avons pas d'autres moyens d'explorer. Bien que nous ne disposions pas encore d'informations sur sa composition chimique, nous pouvons l'étudier avec d'autres télescopes. Parce que TOI 849 b est si proche de l'étoile, toute atmosphère restante autour de la planète doit être constamment reconstituée à partir du noyau. Donc, si nous pouvons mesurer cette atmosphère, nous pourrons avoir un aperçu de la composition du noyau lui-même. »

Chemin évolutif potentiel de TOI 849 b : la ligne rouge montre le chemin évolutif d'une planète simulée qui a finalement des propriétés similaires à la vraie planète TOI 849 b. Le chemin est indiqué par la variation de son demi-grand axe en unités astronomiques (UA), c'est-à-dire la distance de l'étoile sur l'axe des x, et par la variation de celui de son rayon en unité de rayons joviens sur l'axe des y. Les autres points bleu-rouge montrent d'autres planètes prédites par le Modèle de Berne. La Terre et Jupiter sont montrés à leurs positions pour comparaison. La planète commence comme petit embryon planétaire au temps initial t=0 année à environ 6 UA. Au cours des 1 million d'années qui suivent, la protoplanète croît en masse, ce qui augmente son rayon. Pendant cette phase, le rayon de planète est encore maintenu très grand, parce que la planète se trouve encore dans son disque de gaz qui l'alimente. L'augmentation de la masse de la planète cause sa migration vers l'intérieur, vers son étoile mère. Cela réduit son rayon. Après 3,5 millions d'années, la planète arrive au bord interne du disque. Là, elle subit un impact géant avec une autre protoplanète dans son système planétaire. L'énergie et la chaleur énorme libérée par l'impact causent une forte inflation de l'enveloppe de gaz et ultérieurement la dissipation de l'enveloppe. La perte du gaz réduit de nouveau le rayon, et un noyau mis à nu se forme. Au cours de milliards d'années qui suivent, le noyau se rapproche encore plus de son étoile en raison des effets de marée. La planète modélisée a un rayon, une masse, et un demi-grand axe qui ressemblent beaucoup à la vraie TOI-849b, qui est représentée par un symbole noir et jaune. Finalement, après 9,5 milliards d'années, la planète tombe dans son étoile mère. © Université de Berne
  • Des chercheurs des universités de Berne et de Warwick ont découvert et étudié pour la première fois le noyau dégagé d’une exoplanète géante. L’astre nouvellement identifié grâce au satellite Tess se nomme TOI 849 b, il est situé à environ 730 années-lumière du Soleil.
  • Avec un rayon de 3,4 rayons terrestres est une masse environ 40 fois plus importante que celle de notre Planète bleue, il est clair que TOI 849 b est un astre particulièrement dense qui doit être formé principalement de fer, de roches silicatées et d'eau, mais de seulement très peu d'hydrogène et d'hélium. 
  • Il s'agit soit d'un noyau d'exoplanète géante avortée qui ne s'est donc pas entourée d'une importante enveloppe de gaz, soit d'un noyau d'une telle géante dont l'enveloppe a été soufflée, ce qui est possible de différentes façons, par exemple à l'occasion d'une collision avec une autre exoplanète. L'enveloppe serait devenue suffisamment chaude au point de s'évaporer.
  • TOI 849 b fournit ainsi l’occasion inespérée d'observer l’intérieur d’une planète et d’apprendre quelque chose sur sa composition.
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