Communiqué de presse

Un étonnant système composé de six exoplanètes décrivant un ballet cosmique questionne les théories de formation planétaire

25 janvier 2021

Grâce à une combinaison de télescopes dont le Very Large Telescope de l’Observatoire Européen Austral (le VLT de l’ESO), des astronomes ont découvert un système composé de six exoplanètes, cinq d’entre elles participant à un véritable ballet cosmique autour de leur étoile centrale. Les chercheurs pensent que ce système pourrait offrir de nouvelles clés de compréhension de la formation et de l’évolution des planètes – y compris celles du Système Solaire.

La première fois que l’équipe a observé TOI-178, une étoile située à quelque 200 années lumière de la Terre dans la constellation du Sculpteur, il leur a semblé apercevoir deux planètes décrivant la même orbite autour de cette étoile. Un examen approfondi a révélé l’existence d’un système bien différent en réalité : « Des observations plus poussées nous ont permis de comprendre que le système n’était pas constitué de deux planètes orbitant à distance semblable de leur étoile, mais de plusieurs planètes situées dans une configuration bien particulière » précise Adrien Leleu de l’Université de Genève et de l’Université de Bern en Suisse, auteur principal de la nouvelle étude du système publiée ce jour dans la revue Astronomy & Astrophysics.

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. 

Les cinq exoplanètes extérieures du système TOI-178 suivent une chaîne de résonance bien plus complexe, l’une des plus longues découvertes à ce jour au sein d’un système planétaire. Trois des lunes de Jupiter suivent le schéma 4:2:1, tandis que les cinq planètes extérieures du système TOI-178 décrivent la chaîne 18:9:6:4:3 – la seconde planète extérieure (ou première de la chaîne de résonance) complète 18 orbites pendant que la troisième planète extérieure (ou seconde de la chaîne) en décrit 9, et ainsi de suite. A l’origine, les scientifiques ne connaissaient l’existence que de cinq des six planètes du système. Mais en suivant le rythme de cette résonance, ils ont déterminé par le calcul la position qu’occuperait la sixième planète lors de leur prochaine fenêtre d’observation.

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.

Combinaison de techniques

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 8 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.

Correction, 4 février 2021 : Une version antérieure de ce communiqué de presse affirmait, à tort, que la masse des planètes du système variait de 1,5 à 30 fois la masse de la Terre. Les planètes ont en fait des masses comprises entre 1,5 et 8 fois la masse de la Terre".

Plus d'informations

Ce travail de recherche a fait l’objet d’un article intitulé “Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178” à paraître au sein de la revue Astronomy & Astrophysics.

L’équipe est composée de A. Leleu (Observatoire Astronomique de l’Université de Genève, Suisse [UNIGE], Université de Bern, Suisse [Bern]), Y. Alibert (Bern), N. C. Hara (UNIGE), M. J. Hooton (Bern), T. G. Wilson (Centre d’Etude des Exoplanètes, SUPA Ecole de Physique et d’Astronomie, Université de St Andrews, Royaume-Uni [St Andrews]), P. Robutel (IMCCE, UMR8028 CNRS, Observatoire de Paris, France [IMCCE]), J.-B Delisle (UNIGE), J. Laskar (IMCCE), S. Hoyer (Aix Marseille Université, CNRS, CNES, LAM, France [AMU]), C. Lovis (UNIGE), E. M. Bryant (Département de Physique, Université de Warwick, Royaume-Uni [Warwick], Centre d’Etude des Exoplanètes et de leur Habitabilité, Université de Warwick [CEH]), E. Ducrot (Unité de Recherche en Astrobiologie, Université de Liège, Belgique [Liège]), J. Cabrera (Institut de Recherche Planétaire, Centre Aérospatial Allemand (DLR), Berlin, Allemagne [Institut de Recherche Planétaire, DLR]), J. Acton (Ecole de Physique et d’Astronomie, Université de Leicester, Royaume-Uni [Leicester]), V. Adibekyan (Institut d’Astrophysique et des Sciences de l’Espace, Université de Porto, Portugal [IA], Centre d’Astrophysique de l’Université de Porto, Département de Physique et d’Astronomie, Université de Porto [CAUP]), R. Allart (UNIGE), C, Allende Prieto (Institut d’Astrophysique des Canaries, Tenerife [IAC], Département d’Astrophysique, Université de La Laguna, Tenerife [ULL]), R. Alonso (IAC, ULL), D. Alves (Camino l’Observatoire 1515, Las Condes, Santiago, Chili), D. R Anderson (Warwick, CEH), D. Angerhausen (ETH Zürich, Institut de Physique des Particules et d’Astrophysique), G. Anglada Escudé (Institut des Sciences de l’Espace [ICE, CSIC], Bellaterra, Espagne, Institut d’Etudes Spatiales de Catalogne [IEEC], Barcelone, Espagne), J. Asquier (ESTEC, ESA, Noordwijk, Pays-Bas [ESTEC]), D. Barrado (Département d’Astrophysique, Centre d’Astrobiologie [CSIC-INTA], Madrid, Espagne), S.C.C Barros (IA, Département de Physique et d’Astronomie, Université de Porto), W. Baumjohann (Institut de Recherche Spatiale, Académie Autrichienne des Sciences, Autriche), D. Bayliss (Warwick, CEH), M. Beck (UNIGE), T. Beck (Bern) A. Bekkelien (UNIGE), W. Benz (Bern, Centre dédié à l’Espace et à l’Habitabilité, Bern, Suisse [CSH]), N. Billot (UNIGE), A. Bonfanti (IWF), X. Bonfils (Université Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, Grenoble, France), F. Bouchy (UNIGE), V. Bourrier (UNIGE), G. Boué (IMCCE), A. Brandeker (Département d’Astronomie, Université de Stockholm, Suède), C. Broeg (Bern), M. Buder (Institut des Systèmes de Capteurs Optiques, Centre Aérospatial Allemand (DLR) [Institut des Systèmes de Capteurs Optiques, DLR]), A. Burdanov (Liège, Département des Sciences de la Terre, de l’Atmosphère et des Planètes, Institut de Technologie du Massachusetts, Etats-Unis), M. R. Burleigh (Leicester), T. Bárczy (Admatis, Miskok, Hongrie), A. C. Cameron (St Andrews), S. Chamberlain (Leicester), S. Charnoz (Université de Paris, Institut de physique du globe de Paris, CNRS, France), B. F. Cooke (Warwick, CEH), C. Corral Van Damme (ESTEC), A. C. M. Correia (CFisUC, Département de Physique, Université de Coimbra, Portugal, IMCCE, UMR8028 CNRS, Observatoire de Paris, France), S. Cristiani (INAF - Observatoire Astronomique de Trieste, Italie [INAF Trieste]), M. Damasso (INAF - Observatoire Astrophysique de Turin, Italie [INAF Torino]), M. B. Davies (Observatoire Lund, Département d’Astronomie et de Physique Théorique, Université Lund, Suède), M. Deluil (AMU), L. Delrez (AMU, Institut des Sciences de l’Espace, des Technologies et de Recherche Astrophysique [STAR], Université de Liège, Belgique, UNIGE), O. D. S. Demangeon (IA), B.-O. Demory (CSH), P. Di Marcantonio (INAF Trieste), G. Di. 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