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Un système à six exoplanètes avec des mouvements rythmiques remet en question les théories sur la formation des planètes

Temps de lecture :6 min

En utilisant une combinaison de télescopes, dont le Very Large Telescope de l’Observatoire austral européen (VLT de l’ESO), les astronomes ont révélé un système composé de six exoplanètes, dont cinq sont verrouillées selon un rythme rare autour de leur étoile centrale. Les chercheurs pensent que ce système pourrait fournir des indices importants sur la façon dont les planètes, y compris celles du système solaire, se forment et évoluent.

Cette animation montre une représentation des orbites et des mouvements des planètes dans le système TOI-178. De nouvelles recherches menées par Adrien Leleu et ses collègues avec plusieurs télescopes, dont le Very Large Telescope de l’ESO, ont révélé que le système compte six exoplanètes et que toutes, sauf la plus proche de l’étoile, sont enfermées dans un rythme rare lorsqu’elles se déplacent sur leur orbite (représentée en orange). En d’autres termes, elles sont en résonance. Cela signifie qu’il existe des modèles qui se répètent de façon rythmique lorsque les planètes tournent autour de l’étoile, certaines planètes s’alignant à quelques orbites d’intervalle.

Dans l’animation de cet artiste, le mouvement rythmique des planètes autour de l’étoile centrale est représenté par une harmonie musicale, créée en attribuant une note (dans la gamme pentatonique) à chacune des planètes de la chaîne de résonance. Cette note est jouée lorsqu’une planète effectue une orbite complète ou une demi-orbite ; lorsque les planètes s’alignent à ces points de leur orbite, elles résonnent.

La première fois que l’équipe a observé TOI-178, une étoile située à quelque 200 années-lumière dans la constellation de Sculptor, ils ont cru apercevoir deux planètes tournant autour d’elle sur la même orbite. Cependant, un examen plus approfondi a révélé quelque chose d’entièrement différent. « Grâce à d’autres observations, nous avons réalisé qu’il n’y avait pas deux planètes en orbite autour de l’étoile à peu près à la même distance de celle-ci, mais plutôt plusieurs planètes dans une configuration très particulière », explique Adrien Leleu de l’Université de Genève et de l’Université de Berne, en Suisse, qui a dirigé une nouvelle étude du système publiée aujourd’hui dans Astronomy & Astrophysics.

Les nouvelles recherches ont révélé que le système compte six exoplanètes et que toutes, sauf la plus proche de l’étoile, sont enfermées dans une danse rythmique lorsqu’elles se déplacent sur leur orbite. En d’autres termes, elles sont en résonance. Cela signifie qu’il y a des motifs qui se répètent lorsque les planètes tournent autour de l’étoile, certaines planètes s’alignant à quelques orbites d’intervalle. Une résonance similaire est observée dans les orbites de trois des lunes de Jupiter : Io, Europa et Ganymède. Io, la plus proche des trois lunes de Jupiter, effectue quatre orbites complètes autour de Jupiter pour chaque orbite que Ganymède, la plus éloignée, effectue, et deux orbites complètes pour chaque orbite qu’effectue Europa.

Une vue d’artiste du système planétaire TOI-178 :

Les cinq exoplanètes extérieures du système TOI-178 suivent une chaîne de résonance beaucoup plus complexe, l’une des plus longues jamais découvertes dans un système de planètes. Alors que les trois lunes de Jupiter sont en résonance 4:2:1, les cinq planètes extérieures du système TOI-178 suivent une chaîne 18:9:6:4:3 : tandis que la deuxième planète de l’étoile (la première dans la chaîne de résonance) accomplit 18 orbites, la troisième planète de l’étoile (la deuxième dans la chaîne) accomplit 9 orbites, et ainsi de suite. En fait, les scientifiques n’ont initialement trouvé que cinq planètes dans le système, mais en suivant ce rythme de résonance, ils ont calculé où se trouverait une planète supplémentaire dans son orbite lorsqu’ils auraient ensuite une fenêtre pour observer le système.

Plus qu’une simple curiosité orbitale, cette danse de planètes résonnantes fournit des indices sur le passé du système. « Les orbites de ce système sont très bien ordonnées, ce qui nous indique que ce système a évolué assez doucement depuis sa naissance », explique le co-auteur Yann Alibert de l’université de Berne. Si le système avait été considérablement perturbé plus tôt dans sa vie, par exemple par un impact géant, cette fragile configuration d’orbites n’aurait pas survécu.
Désordre dans le système rythmique

Mais même si la disposition des orbites est nette et bien ordonnée, les densités des planètes « sont beaucoup plus désordonnées », explique Nathan Hara de l’Université de Genève, en Suisse, qui a également participé à l’étude. « Il semble qu’il y ait une planète aussi dense que la Terre juste à côté d’une planète très pelucheuse dont la densité est deux fois moins élevée que celle de Neptune, suivie d’une planète dont la densité est celle de Neptune. Ce n’est pas ce à quoi nous sommes habitués ». Dans notre système solaire, par exemple, les planètes sont bien disposées, les planètes rocheuses et denses étant plus proches de l’étoile centrale et les planètes gazeuses, de faible densité, plus éloignées.

« Ce contraste entre l’harmonie rythmique du mouvement orbital et les densités désordonnées remet certainement en question notre compréhension de la formation et de l’évolution des systèmes planétaires », déclare Leleu.
Combiner les techniques

Pour étudier l’architecture inhabituelle du système, l’équipe a utilisé les données du satellite CHEOPS de l’Agence spatiale européenne, ainsi que celles de l’instrument terrestre ESPRESSO sur le VLT de l’ESO et du NGTS et SPECULOOS, tous deux situés à l’Observatoire Paranal de l’ESO au Chili. Les exoplanètes étant extrêmement difficiles à repérer directement avec les télescopes, les astronomes doivent plutôt s’appuyer sur d’autres techniques pour les détecter. Les principales méthodes utilisées sont les transits d’imagerie – l’observation de la lumière émise par l’étoile centrale, qui diminue au fur et à mesure qu’une exoplanète passe devant elle lorsqu’elle est observée depuis la Terre – et les vitesses radiales – l’observation du spectre lumineux de l’étoile pour détecter les petits signes de vacillement qui se produisent lorsque les exoplanètes se déplacent sur leur orbite. L’équipe a utilisé les deux méthodes pour observer le système : CHEOPS, NGTS et SPECULOOS pour les transits et ESPRESSO pour les vitesses radiales.

En combinant les deux techniques, les astronomes ont pu recueillir des informations essentielles sur le système et ses planètes, qui gravitent autour de leur étoile centrale beaucoup plus près et beaucoup plus vite que la Terre ne gravite autour du Soleil. La plus rapide (la planète la plus intérieure) effectue une orbite en quelques jours seulement, tandis que la plus lente prend environ dix fois plus de temps. La taille des six planètes varie de une à trois fois la taille de la Terre, tandis que leur masse est de 1,5 à 30 fois celle de la Terre. Certaines de ces planètes sont rocheuses, mais plus grandes que la Terre – ces planètes sont connues sous le nom de Super-Terres. D’autres sont des planètes gazeuses, comme les planètes extérieures de notre système solaire, mais elles sont beaucoup plus petites – on les surnomme Mini-Neptunes.

Bien qu’aucune des six exoplanètes trouvées ne se trouve dans la zone habitable de l’étoile, les chercheurs suggèrent qu’en poursuivant la chaîne de résonance, ils pourraient trouver d’autres planètes qui pourraient exister dans cette zone ou très près de celle-ci. L’ELT (Extremely Large Telescope) de l’ESO, qui devrait entrer en service au cours de la présente décennie, sera capable d’imager directement les exoplanètes rocheuses dans la zone habitable d’une étoile et même de caractériser leurs atmosphères, ce qui permettra de connaître des systèmes comme TOI-178 de manière encore plus détaillée.

Auteurs : https://doi.org/10.1051/0004-6361/202039767

Uncover Truth
Author: Uncover Truth

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