Vue d’artiste du système planétaire TOI-178 - Crédit: ESO/L. Calçada/spaceengine.org
La nouvelle étude a révélé que le système se compose en réalité de six exoplanètes et que cinq d’entre elles - toutes à l’exception de celle située à très grande proximité de l’étoile centrale - décrivent un ballet cosmique lorsqu’elles se déplacent sur leurs orbites respectives. En d’autres termes, elles sont en résonance. Cela signifie que des configurations planétaires particulières se reproduisent à intervalles de temps réguliers, certaines planètes s’alignant à quelques orbites de distance. Une semblable résonance caractérise les orbites de trois des lunes de Jupiter : Io, Europe et Ganymède. Io, la plus proche de Jupiter, complète quatre orbites autour de Jupiter lorsque Ganymède en achève une, la plus éloignée, et deux orbites alors qu’Europe en décrit une seule.
Localisation du système planétaire TOI-178 dans la constellation du sculpteur.
Ce graphique montre l'emplacement du système planétaire TOI-178 dans la constellation du Sculpteur. La carte comprend la plupart des étoiles visibles à l'œil nu dans de bonnes conditions, et l'emplacement du système est indiqué par un cercle rouge.
Crédit: ESO, IAU et Sky & Telescope
Bien plus qu’une simple curiosité orbitale, cette danse opérée par des planètes en résonance fournit de précieux indices concernant l’histoire du système. « Les orbites de ce système planétaire sont parfaitement ordonnées, ce qui suggère que ce système a lentement et doucement évolué depuis sa naissance », explique Yann Alibert de l’Université de Bern, co-auteur de l’étude. Si ce système avait subi la moindre perturbation majeure par le passé, un impact géant en l’occurrence, cette fragile configuration orbitale n’aurait pas survécu.
Dissonance au sein du ballet planétaire
Bien que les orbites planétaires soient clairement distribuées et ordonnées, les planètes « présentent des densités assez aléatoires » précise Nathan Hara de l’Université de Genève en Suisse, qui a également pris part à l’étude. « Il apparaît en effet qu’une planète aussi dense que la Terre se situe non loin d’une planète cotonneuse caractérisée par une densité inférieure de moitié à celle de Neptune, suivie d’une planète de même densité que Neptune. Ce n’est pas ce à quoi nous sommes habitués ». Dans notre Système Solaire par exemple, les planètes sont correctement disposées, les rocheuses, de densités plus élevées, se trouvant à plus grande proximité de l’étoile centrale et les gazeuses, de moindres densités, à plus grande distance.
« Le contraste entre l’harmonie rythmique du ballet orbital et la dissonance des densités planétaires questionne notre compréhension de la formation et de l’évolution des systèmes planétaires » conclut Adrien Leleu.
Animation d'artiste des orbites et des résonances du TOI-178
Crédit:ESO / L. Calçada
Pour étudier la configuration inhabituelle de ce système, l’équipe a utilisé des données du satellite CHEOPS de l’Agence Spatiale Européenne, de l’instrument sol ESPRESSO installé sur le VLT de l’ESO, du NGTS et de SPECULOOS opérant tous deux depuis l’Observatoire de Paranal de l’ESO au Chili. Les exoplanètes étant des objets extrêmement difficiles à détecter directement au moyen de télescopes, les astronomes doivent utiliser d’autres techniques. Parmi les méthodes les plus couramment utilisées figurent celle des transits qui consiste à observer la lumière émise par l’étoile centrale - en particulier la diminution de son intensité lorsqu’une exoplanète traverse la ligne de visée, et celle des vitesses radiales qui repose sur l’observation du spectre de la lumière émise par l’étoile - notamment les oscillations que produisent les déplacements des exoplanètes le long de leurs orbites. L’équipe a utilisé l’une et l’autre méthodes d’observation du système: CHEOPS, NGTS et SPECULOOS pour les transits, ESPRESSO pour les vitesses radiales.
La combinaison de ces deux techniques a permis aux astronomes de recueillir des informations essentielles concernant le système et les planètes qui le composent. Il apparaît ainsi qu’elles décrivent des orbites situées à plus grande proximité de leur étoile centrale que l’orbite terrestre à des vitesses supérieures à celle de notre Terre autour du Soleil. Ainsi, la planète la plus rapide (la plus proche également de son étoile) complète une orbite en quelques jours seulement, tandis que la plus lente (la plus lointaine également) requiert dix fois plus de temps. Les six planètes sont caractérisées par des dimensions comprises entre un et trois diamètres terrestres, leurs masses s’échelonnent entre 1,5 et 30 masses terrestres. Certaines d’entre elles sont rocheuses mais de dimensions supérieures à celles de la Terre - ce sont des super-Terres. D’autres sont gazeuses, à l’image des planètes externes de notre Système Solaire, mais de dimensions nettement inférieures - ce sont des mini-Neptunes.
Bien qu’aucune des six exoplanètes découvertes ne se situe dans la zone habitable de l’étoile, les chercheurs imaginent qu’en suivant la chaîne de résonance, ils pourraient détecter d’autres planètes potentiellement situées à l’intérieur ou en périphérie de cette région. L’Extremely Large Telescope de l’ESO (ELT), qui devrait être opérationnel avant la fin de cette décennie, sera en mesure d’imager directement les exoplanètes rocheuses situées dans la zone habitable d’une étoile et de caractériser leurs atmosphères, ce qui permettra de mieux connaître des systèmes tel TOI-178.
Animation d’artiste des orbites et des résonnances orbitales au sein du système TOI-178
Crédit:ESO
Vue d’artiste animée du système de six exoplanètes
Crédit: ESO