Le destin tragique des planètes extrasolaires gazeuses

Publié par Michel le 24/02/2009 à 00:00
Source et illustrations: Observatoire de Paris
Grâce à la méthode des transits planétaires, plus de quarante planètes extrasolaires gazeuses analogues à Jupiter ou Neptune ont été découvertes depuis dix ans, orbitant à moins de 0.1 UA de leur étoile centrale (1). Une équipe constituée d'astronomes de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique...) et du Centre de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) de Lyon (ENS Lyon, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Lyon) a montré que toutes ces planètes avaient une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) instable à cause des effets de marées intenses entre l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...) et la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...), conduisant à une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) inéluctable entre les deux corps en des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) extrêmement brefs, par rapport à la durée de vie (La vie est le nom donné :) du système. Cette découverte relance le débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance,...) sur le mode de formation et d'évolution des systèmes planétaires extra-solaires découverts jusqu'à présent.

L'influence des effets de marées sur l'orbite et les vitesses de rotation de deux corps en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) gravitationnelle est bien connue dans le Système Solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...), en particulier dans les systèmes composés d'une planète et d'un satellite (Satellite peut faire référence à :). Une partie de l'énergie mécanique (L'énergie mécanique est une quantité utilisée en mécanique classique pour désigner l'énergie...) du système est dissipée et perdue par friction mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) au sein des corps et tend progressivement à rendre leur orbite circulaire et à synchroniser leur période de rotation (La période de rotation désigne la durée mise par un astre (étoile, planète, astéroïde) pour...) propre avec la période de révolution (La période de révolution, est le temps mis par un astre pour accomplir sa trajectoire, ou...) orbitale comme peut l'illustrer en partie l'histoire du système Terre-Lune. Toutefois, cette évolution progressive vers un tel état d'équilibre n'est possible que parce que le moment cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) du système est plus grand qu'une valeur critique qui ne dépend que de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) des corps, de leur répartition et de la constante de gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) universelle (2). Dans le cas contraire, les deux corps tendent irrémédiablement à se rapprocher et à rentrer ultimement en collision.


Figure 1: Diagramme indiquant la stabilité des systèmes planétaires extrasolaires
accueillant une planète détectée par la méthode des transits vis à vis des effets de marées.
Les planètes sont classées par valeur croissante du rapport entre
le moment cinétique total du système planétaire (Un système planétaire (parfois appelé abusivement système stellaire) est...) et un moment cinétique critique.
Quand le rapport est plus grand que un, le système peut évoluer vers un état d'équilibre stable.
Quand il est inférieur à un, le système n'a pas assez de moment cinétique,
conduisant ainsi à une collision entre l'étoile et la planète.
La barre d'erreur tient compte des incertitudes relatives aux mesures des paramètres du système
(masses, rayons, vitesses de rotation).
Une estimation du temps restant avant la collision est aussi indiquée entre parenthèses (3).
Seule la planète HAT-P-2b apparaît à la limite de la stabilité.

En étudiant ainsi la destinée de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des planètes extra-solaires dénommées "en transit" et détectées par la baisse d'éclat de leur étoile à l'occasion de leurs passages réguliers devant elle, les astronomes français ont découverts que la totalité de ces planètes était appelée à venir mourir tragiquement lors d'une future collision avec leur étoile centrale (Figure 1). Une mise à jour (Une mise à jour, souvent abrégé en MAJ ou MàJ, est l'action qui consiste à...) de cette étude montre que les planètes en transit découvertes récemment par le satellite CoRot devraient subir également le même sort.

Pour évaluer le temps de vie restant de ces systèmes planétaires, des simulations numériques de l'évolution de leur orbite ont été conduites en utilisant des modèles traditionnels d'effets de marées pour des planètes gazeuses (Figure 2). De façon surprenante, ces durées varient entre seulement quelques dizaines de millions d'années et quelques milliards d'années, ces premiers étant étonnamment courts par rapport à l'âge des systèmes proche de quelques milliards d'années. Les simulations ont aussi montré que, contrairement aux idées reçues dans la communauté astrophysique, l'excentricité (Cet article décrit l'excentricité en mathématiques et en psychologie.) de l'orbite ne diminuait significativement que lors de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) finale relativement brutale de rapprochement des deux corps avant la collision, du fait de la grande sensibilité des effets de marées à la distance entre les corps.


Figure 2: Exemples d'évolution future du demi-grand axe de l'orbite de la planète HD 209458b (en trait noir plein)
et OGLE-TR-132b (en trait vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde...) plein) en UA ainsi que de l'excentricité de HD 209458b (en trait noir pointillé).
Les échelles correspondantes sont respectivement sur la gauche et la droite de la figure.
On notera la décroissance brutale et rapide du demi-grand axe et de l'excentricité avant la collision.
L'orbite de OGLE-TR-132b est considérée comme strictement circulaire.

Ces résultats relancent pleinement le débat sur la formation et l'évolution de ces systèmes extra-solaires. En effet, la plupart de ces systèmes ont actuellement des orbites quasi-circulaires, ce qui suggère, d'après les précédentes conclusions, que nous aurions l'immense privilège d'observer la quasi-totalité de ces planètes en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) de tomber sur leur étoile ! La probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un...) d'un tel évènement étant a priori très faible, cela signifie que ce ne sont pas les effets de marées entre l'étoile et la planète les responsables de la circularisation de leur orbite. La circularisation pourrait alors résulter de processus plus anciens comme des interactions entre la planète et le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) proto-planétaire primordial, par exemple. Les autres possibilités pouvant expliquer l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de ces planètes sur des orbites instables pourraient être une méconnaissance des échelles de temps des mécanismes de dissipation des effets de marées au sein de corps gazeux ou la présence de compagnons planétaires encore non détectés préservant la stabilité orbitale de la première planète. Cette dernière hypothèse devrait bientôt pouvoir être vérifiée lors des prochaines campagnes d'observation de ces systèmes.


Notes:

(1) UA = unité astronomique (L’unité astronomique (symbole ua) correspond approximativement à la longueur du demi-grand...) = distance Soleil-Terre, 149,6 millions de km.
(2) Le moment cinétique total du système planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire...) étoile-planète est la somme du moment cinétique orbital (Le moment cinétique orbital est un concept de la mécanique quantique. C'est un cas particulier de...) et des moments cinétiques angulaires de l'étoile et de la planète dus à leur rotation propre. Il est constant au cours du temps pour un système binaire (Le système binaire est un système de numération utilisant la base 2. On nomme...) considéré comme isolé.
(3) 1 Gyr = 1 milliard (Un milliard (1 000 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent...) d'années et 1 Myr = 1 million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf...) d'années.


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