Un système extrasolaire de deux planètes en forte interaction gravitationnelle

Publié par Adrien le 03/07/2020 à 09:00
Source: Observatoire de Paris & CNRS
Une équipe internationale conduite par Guillaume Hébrard, chercheur à l'Institut d'astrophysique de Paris et impliquant des chercheurs de l'Observatoire de Paris a détecté et caractérisé un système exoplanétaire particulièrement intéressant. Il est constitué d'une première planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante...), WASP-148b, qui passe devant son étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) hôte avec une période de 8,8 jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son...), et d'une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc...), WASP-148c, dont la période est environ quatre fois plus longue. Cette configuration provoque de petites variations de la période de WASP-148b du fait des interactions gravitationnelles entre les deux planètes. Ces variations ont été observées, et il s'agit de la première détection depuis le sol de ce type de phénomène. Les observations et études de ce système vont se poursuivre afin de mieux comprendre sa structure et son évolution.

Depuis la découverte en 1995 de la première exoplanète (Une exoplanète, ou planète extrasolaire, est une planète orbitant autour d'une étoile autre que le Soleil. La plupart des exoplanètes...) en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) d'une étoile de type solaire, les planètes autour d'autres étoiles que le Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) sont l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné...) de nombreuses études. Dans ce cadre, la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) de systèmes comprenant plusieurs planètes en orbite autour d'une même étoile est particulièrement intéressante. Ces planètes s'attirent en effet entre elles du fait de leur gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.), et cela produit des modifications de leur mouvement qui peuvent être détectées dans certains cas.


Vue d'artiste (Est communément appelée artiste toute personne exerçant l'un des métiers ou activités suivantes :) du système exoplanétaires en forte interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de...) WASP-148. La planète WASP-148c est visible au premier plan. On voit au second plan la planète WASP-148b en transit devant l'étoile autour de laquelle les deux planètes sont en orbite. (© Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) d'astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude...) de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents...), Mark A. Garlick).

Lorsqu'une exoplanète est seule à être en orbite autour d'une étoile, elle en fait le tour avec une période bien définie et qui ne varie pas. Si l'orbite est orientée de manière à ce que la planète passe juste devant son étoile, on peut observer depuis la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...) une légère baisse de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à...) de l'étoile pendant ce qu'on appelle un "transit planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie. Généralement les astres représentés sont animés...)". Ces transits se reproduisent à intervalles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réguliers ce qui permet de mesurer précisément la période orbitale (En astronomie, la période orbitale désigne la durée mise par un astre (étoile, planète, astéroïde) pour effectuer une orbite complète. Par exemple, la Terre a une...) de la planète; on peut ainsi constater que cette période ne varie pas. Si par contre l'étoile possède une seconde planète en plus de la planète en transit, les interactions gravitationnelles entre les deux planètes provoquent de petites accélérations ou décélérations des planètes sur leurs orbites. On observe ainsi des transits planétaires un peu en avance ou en retard d'un passage à une autre, phénomène appelé "variations de chronométrage" (ou TTV, pour transit timing variations en Anglais).

Prédites d'un point (Graphie) de vue théorique, les variations de chronométrage sont longtemps restées inobservées malgré de nombreuses recherches avec des télescopes au sol. En effet, dans la plupart des cas les interactions gravitationnelles conduisent à des variations de chronométrage de quelques secondes ou moins, difficiles à détecter. C'est le télescope spatial (Un télescope spatial est un télescope placé au delà de l'atmosphère. Le télescope spatial présente l'avantage par rapport à son...) Kepler qui le premier, en 2010, a détecté des variations de chronométrage dans un système exoplanétaire. Ce cas était particulièrement favorable à une détection car les deux planètes principales de ce système sont en résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du système. Si le système...) ce qui a pour effet d'augmenter l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) des variations de chronométrage. Quelques dizaines de systèmes planétaires résonants avec variations de chronométrage ont depuis été détectés, tous avec des télescopes spatiaux.

Le système planétaire (Un système planétaire (parfois appelé abusivement système stellaire) est composé de planètes et divers corps célestes inertes (astéroïdes, comètes...) gravitant autour d'une étoile....) WASP-148, dont la découverte est annoncée au printemps (Le printemps (du latin primus, premier, et tempus, temps, cette saison marquant autrefois le début de l'année) est l'une des quatre saisons des zones tempérées, précédant l'été et...) 2020 par une équipe internationale conduite par l'Institut d'astrophysique de Paris et impliquant des chercheurs de l'Observatoire de Paris (L'Observatoire de Paris est né du projet, en 1667, de créer un observatoire astronomique équipé de bons instruments permettant d'établir des...), a été quant à lui détecté à partir de télescopes au sol. Un candidat planète en transit avait tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord été identifié par l'instrument SuperWASP, installé à l'Observatoire de Roque de los Muchachos à La Palma, aux îles Canaries. À partir de 2014, l'étoile hôte fut observée avec le spectroscope à haute résolution SOPHIE installé à l'Observatoire de Haute-Provence, en France, qui permet de mesurer précisément les variations de vitesse (On distingue :) des étoiles dues à la présence d'exoplanètes. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude...) de ces observations a permis de conclure que l'étoile WASP-148 héberge une première planète, WASP-148b, ayant environ la taille et la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force...) de Saturne et une période orbitale de 8,8 jours. Les observations de SOPHIE ont de plus révélé qu'une seconde planète est en orbite autour de cette étoile, WASP-148c, avec une masse pour moitié celle de Jupiter et une période orbitale de 34,5 jours.


Observatoire de Haute-Provence. Le spectroscope Sophie (installé au télescope de 193 cm, au deuxième plan) a contribué à la détection et à la caractérisation du système exoplanétaire WASP-148. © OSU Pytheas / CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) / AMU

Il s'agit d'un système proche de la résonance, la période orbitale de la planète WASP-148c étant approximativement quatre fois plus longue que celle de WASP-148b. Des variations de chronométrage ont été détectées, au moyen de petits télescopes situés aux îles Canaries (télescopes Nites, Carlos-Sánchez et Liverpool) et en France (observatoire amateur Hubert-Reeves, en Ardèche): des transits de WASP-148b devant son étoile ont été observés et se sont produits parfois un quart d'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure...) en avance ou en retard par rapport à la prédiction en considérant une période orbitale constante. On a ainsi une bonne compréhension de la structure de ce système planétaire et des interactions qui le régissent, les variations de chronométrages de la planète WASP-148b étant expliquées par la présence de la planète WASP-148c. Les études théoriques des interactions gravitationnelles entre les deux planètes indiquent également que leurs orbites sont approximativement coplanaires (situées dans des plans faisant un angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de moins de 35 degrés entre eux), et que cette configuration est stable.


Mesures (en rouge) de la vitesse radiale de l'étoile du système planétaire WASP-148 avec le spectroscope Sophie à l'Observatoire de Haute-Provence. Ces observations mettent en évidence des variations de la vitesse de l'étoile provoquées par les planètes WASP-148b (à gauche) et WASP-148c (à droite). Les lignes noires représentent le modèle théorique ajustant au mieux les points de mesure. © G. Hébrard et al.

Ce résultat constitue la première détection depuis le sol de variations de chronométrage pour un système planétaire résonant, obtenue grâce à dix années d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...). Dans les mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.) et années à venir, le système multiplanétaire WASP-148 sera l'objet de nombreuses études théoriques et d'observations complémentaires, qui permettront d'affiner les mesures de ses propriétés et de mieux comprendre sa structure et son évolution. En particulier, le système est observé en ce moment par le télescope spatial TESS de la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est...) (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Ces observations permettront d'observer neuf transits consécutifs de WASP-148b, et de tester la possible existence d'un transit pour WASP-148c, qui serait dû au passage de cette deuxième planète devant son étoile hôte.

Réference:
Discovery and characterization of the exoplanets WASP-148b and c. A transiting system with two interacting giant planets,
G. Hébrard, R.F. Díaz, A.C.M.Correia, A. Collier Cameron, J. Laskar, D. Pollacco, J.-M.Almenara, et al. Astronomy & Astrophysics, 2020, in press
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