Les astronomes stupéfaits par un système à six planètes figé dans le temps

Une famille non perturbée de «sous-Neptunes» sur des orbites rythmiques pourrait contenir des indices sur la formation des planètes.

Les astronomes ont découvert un système planétaire très inhabituel autour d’une étoile proche. Il contient six planètes, toutes plus grandes que la Terre mais plus petites que Neptune, une variété absente de notre système solaire mais commune dans toute la Voie lactée. De plus, toutes les planètes orbitent en harmonie rythmique, ce qui suggère que le système n’a pas été perturbé depuis sa formation il y a des milliards d’années. La luminosité de l’étoile, sa relative proximité avec la Terre et ses six bizarreries orbitales pourraient faire du système un laboratoire parfait pour étudier la formation de ces planètes, connues sous le nom de sous-Neptunes. « C’est un système délicieux », déclare l’astronome Carole Haswell de l’Open University, qui n’a pas participé à l’étude, publiée aujourd’hui dans Nature. Les orbites des planètes sont toutes plus serrées que celles de Mercure. Mais si d’autres observations trouvent davantage de planètes dans la zone habitable de l’étoile où de l’eau liquide peut exister, dit Haswell, «alors elle pourrait devenir l’étoile la plus intéressante de la galaxie».

La Terre est la plus grande planète rocheuse du système solaire, mais la cinquième en termes de taille. Le numéro quatre est Neptune glacé, la plus petite des géantes gazeuses mais néanmoins quatre fois plus grande que la Terre et 17 fois plus massive. On a supposé que cette différence béante était une conséquence naturelle des conditions dans lesquelles ils se sont formés : les étendues glacées du système solaire externe et les climats plus chauds proches du Soleil. Mais la découverte de planètes entre ces tailles un peu partout ailleurs dans la galaxie a obligé à repenser. Pourtant, un écart mystérieux persiste : les planètes entre 1,5 et deux diamètres terrestres semblent presque entièrement absentes et les astronomes sont impatients de savoir pourquoi.

La découverte du nouveau système a nécessité deux télescopes spatiaux, plusieurs télescopes au sol et plus de trois ans de travail de détective mené par des dizaines d’astronomes. La chasse a commencé en 2020 lorsque Rafael Luque, astronome à l’Université de Chicago, parcourait les alertes du Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, qui recherche les baisses de luminosité d’une étoile causées par le passage de planètes devant. Il a remarqué des baisses intrigantes mais peu concluantes associées à HD 110067, une étoile semblable au Soleil située à seulement 100 années-lumière de la Terre. Pour en savoir plus, il a dû attendre début 2022, lorsque TESS est revenu dans le même coin de ciel.

Les nouvelles données ont mis en évidence les deux premières planètes de l’étoile, celles avec des orbites de 9,1 jours et de 13,7 jours. Des observations ultérieures réalisées par le satellite de caractérisation des exoplanètes (CHEOPS) de l’Agence spatiale européenne ont identifié une troisième planète, avec une période orbitale de 20,5 jours.

Mais les données comprenaient quatre autres baisses déroutantes de la lumière des étoiles, ou transits, que l’équipe n’a pas pu identifier d’autres planètes. « Il nous fallait une contrainte supplémentaire », explique Luque. Pour aller plus loin, l’équipe a eu recours à la théorie orbitale. Les orbites des trois planètes connues présentaient une résonance de 3/2 entre chaque paire voisine : pour trois fois la planète intérieure tourne, la voisine extérieure tourne deux fois. Pensant que d’autres pourraient également être en résonance, l’équipe de Luque a recherché d’autres planètes hypothétiques avec des résonances de 2/1, 3/2, 4/3, etc. Une quatrième planète, en résonance 3/2 et avec une période orbitale de 30,8 jours, correspondait parfaitement à deux des transits.

Cela a laissé aux chercheurs deux transits uniques portés disparus. Pour voir si elles pourraient être liées à encore plus de planètes, ils ont exploité une particularité observée dans d’autres systèmes résonants : si trois planètes sont en résonance et que deux d’entre elles s’alignent d’un côté de l’étoile, la troisième sera toujours ailleurs. ; il n’y a aucune occasion où les trois sont regroupés. Avec cette condition supplémentaire, les chercheurs ont pu montrer comment les deux transits restants s’adapteraient bien aux planètes en orbite tous les 41,1 jours et 54,7 jours. Chacune de ces planètes est en résonance 4/3 avec sa voisine intérieure.

Cette quantité de suppositions et de théories ne convaincra peut-être pas tout le monde, mais l’équipe a eu de la chance. Une équipe du centre de recherche Ames de la NASA a mis au point une nouvelle façon de retraiter les données TESS qui sont normalement rejetées car trop bruyantes. L’équipe de Luque a demandé à l’équipe d’Ames d’examiner les données rejetées des observations de 2020 pour les transits prévus des cinquième et sixième planètes. «Il y avait de l’or», dit Luque. « C’était vraiment incroyable ». Le transit de la cinquième planète était parfait, et la période prévue de la sixième était décalée de seulement 20 minutes, bien qu’elle ait été extrapolée à partir d’un seul transit observé 2 ans plus tard avec une période dérivée de la théorie pure.

Les baisses de lumière des étoiles n’offraient que des indices sur le diamètre des planètes. L’équipe avait besoin de masses pour calculer leurs densités et pour savoir si les planètes étaient des sous-Neptunes enveloppées de gaz ou des super-Terres dénudées et rocheuses. Pour obtenir des masses, l’équipe a dû se tourner vers deux télescopes au sol, le télescope espagnol Calar Alto et le télescope national Galileo italien. Tous deux sont équipés pour détecter les minuscules oscillations de l’étoile causées par la gravité des planètes environnantes. Les observations ont fourni des estimations de masse pour les planètes, qui s’étendent d’environ 3,9 fois à 8,5 fois la masse de la Terre. Cela les place tous dans le camp sous-Neptune, avec des atmosphères denses, des noyaux rocheux et éventuellement des océans couvrant la planète.

L’équipe a eu beaucoup de chance : seulement 1% environ des systèmes planétaires présentent une résonance entre planètes voisines, et le système HD 110067 est la première chaîne résonante connue de six planètes. (Un autre système planétaire célèbre, TRAPPIST-1, compte sept planètes de la taille de la Terre, mais elles ne sont qu’en quasi-résonance.) Bien que la théorie prédise que les planètes ont tendance à se former dans de telles résonances, au fil des éons, elles deviennent généralement instables ou quelque chose frappe gravitationnellement. ils sont désynchronisés, qu’il s’agisse d’une étoile qui passe ou d’une planète qui dérive hors de sa position. Maximilian Günther, scientifique du projet CHEOPS, affirme que HD 110067 offre une opportunité unique de comprendre les conditions de sa création, car il semble que rien n’ait perturbé les orbites au cours de sa durée de vie estimée à 8 milliards d’années. «C’est comme un fossile pour étudier la formation et l’évolution des systèmes planétaires», dit-il.