Une étonnante exoplanète "barbe à papa"

Publié par Redbran le 20/01/2021 à 09:00
Source: Université de Montréal
Sous la direction d'astronomes de l'UdeM, une équipe découvre que l'exoplanète WASP-107b a un cœur solide moins massif que ce qu'on croyait nécessaire pour former une exoplanète géante gazeuse.


Représentation artistique de l'exoplanète WASP-107b et de son étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...), WASP-107. On voit la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) de l'étoile qui passe en partie à travers la couche de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) étendue de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...). Crédit: ESA/Hubble, NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...), M. Kornmesser

La masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) du coeur solide de l'exoplanète géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le...) WASP-107b est nettement inférieure à ce qu'on pensait nécessaire pour constituer l'épaisse enveloppe de gaz entourant des planètes géantes comme Jupiter et Saturne, a constaté une équipe d'astronomes canadiens.

Cette découverte intrigante de Caroline Piaulet, étudiante de doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement...) à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur les exoplanètes (iREx) de l'Université de Montréal (L’Université de Montréal est l'un des quatre établissements d'enseignement...), porte à croire que les planètes géantes gazeuses se forment beaucoup plus facilement qu'on croyait.


Caroline Piaulet
L'étudiante fait partie de l'équipe de recherche pionnière du professeur d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande...) Björn Benneke, qui a annoncé en 2019 la première détection d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) sur une exoplanète située dans la zone habitable (En astronomie, une zone habitable (ZH) est une région de l'espace où les conditions sont...) de son étoile.

Publiée dans l'Astronomical Journal, la nouvelle analyse de Caroline Piaulet et ses collègues du Canada, des États-Unis, de l'Allemagne et du Japon "a de grandes implications", a déclaré le professeur Benneke.

"Ce travail porte sur les fondements mêmes de la façon dont les planètes géantes peuvent se former et croître, a-t-il ajouté. Il fournit la preuve concrète (La concrète est une pâte plus ou moins dure obtenue après extraction d’une...) que l'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par...) massive (Le mot massif peut être employé comme :) d'une enveloppe de gaz peut être déclenchée pour des coeurs solides qui sont beaucoup moins massifs qu'on le pensait jusqu'à maintenant."

Grosse comme Jupiter, mais 10 fois plus légère

L'exoplanète WASP-107b a été détectée pour la première fois en 2017 autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de WASP-107, une étoile située à environ 212 années-lumière de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) dans la constellation (Une constellation est un ensemble d'étoiles dont les projections sur la voûte...) de la Vierge. La planète est très proche de son étoile ‒ plus de 16 fois plus près que la Terre l'est du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...). Avec une taille semblable à celle de Jupiter et une masse environ 10 fois plus légère, WASP-107b est l'une des exoplanètes les moins denses que l'on connaît. C'est un type de planètes que les astrophysiciens ont surnommées planètes "barbe à papa" ou super-puff en anglais.

Caroline Piaulet et son équipe ont d'abord utilisé des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) sur WASP-107b obtenues à l'observatoire W. M. Keck à Hawaii pour évaluer la masse de la planète avec plus de précision. Les chercheurs ont recouru à la méthode de la vitesse (On distingue :) radiale, qui permet aux scientifiques d'établir la masse d'une planète en observant le mouvement d'oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à...) de son étoile hôte dû à l'attraction gravitationnelle de la planète. C'est ainsi qu'ils ont conclu que WASP-107b est environ 10 fois moins massive que Jupiter, soit à peu près 30 fois plus que la Terre.

L'équipe a ensuite procédé à une analyse pour déterminer la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) la plus probable de la planète. Elle est arrivée à une conclusion surprenante: avec une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) aussi faible, la planète doit avoir un coeur solide d'au plus quatre fois la masse de la Terre (La masse de la Terre (M) est estimée à 5,9736×1024 kg. Elle est obtenue à...). Cela signifie que plus de 85 % de sa masse est incluse dans l'épaisse couche de gaz qui entoure le coeur. Par comparaison, cette proportion n'est que de 5 à 15 % pour Neptune, qui a une masse analogue à celle de WASP-107b.

"Nous avions beaucoup de questions sur l'exoplanète WASP-107b, a indiqué Caroline Piaulet. Comment une planète de si faible densité a-t-elle pu se former ? Et comment a-t-elle empêché son énorme couche de gaz de s'échapper, surtout si l'on considère la proximité de son étoile ? Cela nous a motivés à faire une analyse approfondie pour connaître l'histoire de sa formation."

Une géante gazeuse en formation

Les planètes naissent dans le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une...) de poussière et de gaz qui entoure une jeune étoile, le disque protoplanétaire (Les étoiles se forment à partir d'un nuage de gaz et de poussières dont la partie centrale...). Les modèles classiques de formation de planètes géantes gazeuses sont basés sur Jupiter et Saturne. D'après ces modèles, un noyau solide au moins 10 fois plus massif (Le mot massif peut être employé comme :) que la Terre est nécessaire pour accumuler une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de gaz avant que le disque se dissipe.

Sans un coeur massif, on pensait que les planètes géantes gazeuses ne pouvaient pas franchir le seuil critique nécessaire pour accumuler et conserver de grandes enveloppes de gaz.

Comment alors expliquer l'existence de WASP-107b, qui a un noyau beaucoup moins massif ? Eve Lee, professeure à l'Université McGill (L’Université McGill, située à Montréal au Québec, est une des...) et membre de l'iREx, experte de renommée mondiale des exoplanètes comme WASP-107b, a considéré plusieurs hypothèses.

"Pour WASP-107b, a-t-elle mentionné, le scénario le plus plausible est que la planète s'est formée loin de l'étoile, où le gaz du disque est suffisamment froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) pour que l'accrétion se produise très rapidement. La planète a ensuite pu migrer vers sa position actuelle par des interactions soit avec le disque, soit avec d'autres planètes du système."

Découverte d'une deuxième planète

Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) faites à Hawaii de l'étoile WASP-107 couvrent une période beaucoup plus longue que les précédentes, ce qui a permis à l'équipe de recherche dirigée par Caroline Piaulet de faire une découverte supplémentaire: l'existence d'une deuxième planète, WASP-107c. Cette dernière aurait une masse de plus du tiers de Jupiter, ce qui est considérablement plus massif que WASP-107b.

WASP-107c est également beaucoup plus éloignée de l'étoile centrale: il lui faut trois ans pour effectuer une orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps...) complète, contre seulement 5,7 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) pour WASP-107b. Autre point (Graphie) intéressant: l'excentricité (Cet article décrit l'excentricité en mathématiques et en psychologie.) de cette deuxième planète est élevée, ce qui signifie que sa trajectoire (La trajectoire est la ligne décrite par n'importe quel point d'un objet en mouvement, et...) autour de son étoile est plus ovale (Dans le sens étymologique, un ovale est une forme d'œuf. En mathématiques, et plus...) que circulaire.

"À certains égards, WASP-107c a gardé la mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) de ce qui s'est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble...) dans son système, a dit Caroline Piaulet. Sa grande excentricité laisse entrevoir un passé assez chaotique, avec des interactions entre les planètes qui auraient pu conduire à des déplacements importants, comme celui qu'on soupçonne pour WASP-107b."

Plusieurs autres questions

Au-delà de l'histoire de sa formation, de nombreux mystères entourent encore WASP-107b. Des études de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) de la planète avec le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le...) Hubble publiées en 2018 ont révélé une surprise: elle contient très peu de méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...).

"C'est étrange, car dans ce type de planète, le méthane devrait être abondant, a noté la jeune chercheuse. Nous sommes en train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) de réanalyser les observations de Hubble avec la nouvelle masse de la planète pour voir comment cela va influencer les résultats et pour examiner quels mécanismes pourraient expliquer la destruction du méthane."

Elle prévoit poursuivre l'étude de WASP-107b avec, espère-t-elle, le télescope (Un télescope, (du grec tele signifiant « loin » et skopein signifiant...) spatial James-Webb, dont le lancement est prévu en 2021. Cela permettra d'avoir une idée beaucoup plus précise de la composition de l'atmosphère de la planète.

"Des exoplanètes comme WASP-107b qui n'ont pas d'équivalent dans notre système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...) nous permettent de mieux comprendre les mécanismes de formation des planètes en général et la variété d'exoplanètes qui en résulte, a conclu Caroline Piaulet. Cela nous motive à les étudier en détail."
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