Les astronomes analysent les masses, les propriétés orbitales et les caractéristiques atmosphériques de six exoplanètes.

26 janvier 2024

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par l'Université de Californie, Irvine

Un système solaire récemment découvert avec six exoplanètes confirmées et une possible septième renforce les connaissances des astronomes sur la formation et l'évolution des planètes. S'appuyant sur un arsenal d'observatoires et d'instruments répartis à travers le monde, une équipe dirigée par des chercheurs de l'Université de Californie, Irvine a compilé les mesures les plus précises à ce jour des masses, des propriétés orbitales et des caractéristiques atmosphériques des exoplanètes.

Dans un article publié aujourd'hui dans The Astronomical Journal, les chercheurs partagent les résultats de l'enquête TESS-Keck, fournissant une description détaillée des exoplanètes orbitant autour de TOI-1136, une naine stellaire dans la galaxie de la Voie lactée à plus de 270 années-lumière de la Terre. L'étude fait suite à l'observation initiale de l'étoile et des exoplanètes par l'équipe en 2019 en utilisant des données du satellite de recherche d'exoplanètes en transit. Ce projet a permis d'estimer pour la première fois les masses des exoplanètes en mesurant les variations de temps de transit, une mesure de l'attraction gravitationnelle exercée par les planètes en orbite les unes autour des autres.

Pour l'étude la plus récente, les chercheurs ont combiné les données TTV avec une analyse de la vitesse radiale de l'étoile. En utilisant le télescope Automated Planet Finder de l'observatoire Lick sur le mont Hamilton en Californie et le spectromètre échelle à haute résolution de l'observatoire W.M. Keck sur le mauna Kea à Hawaï, ils ont pu détecter de légères variations dans le mouvement stellaire grâce au décalage vers le rouge et le décalage vers le bleu de l'effet Doppler, ce qui les a aidés à déterminer les mesures de masse planétaire avec une précision sans précédent.

Pour obtenir des informations aussi précises sur les planètes de ce système solaire, l'équipe a construit des modèles informatiques en utilisant des centaines de mesures de la vitesse radiale superposées aux données TTV. L'auteur principal Corey Beard, candidat au doctorat en physique à l'UCI, a déclaré que la combinaison de ces deux types de lectures a permis d'acquérir plus de connaissances sur le système que jamais auparavant.

"Cela a demandé beaucoup d'essais et d'erreurs, mais nous étions vraiment satisfaits de nos résultats après avoir développé l'un des modèles de système planétaire les plus complexes de la littérature exoplanétaire à ce jour", a déclaré Beard.

Le nombre élevé de planètes est un facteur qui a inspiré l'équipe d'astronomie à poursuivre ses recherches, selon le co-auteur Paul Robertson, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'UCI.

"Nous avons considéré TOI-1136 comme étant très avantageux du point de vue de la recherche, car lorsqu'un système a plusieurs exoplanètes, nous pouvons contrôler les effets de l'évolution des planètes qui dépendent de l'étoile hôte, ce qui nous permet de nous concentrer sur les mécanismes physiques individuels qui ont conduit à ce que ces planètes aient les propriétés qu'elles ont", a-t-il déclaré.

Robertson a ajouté que lorsque les astronomes tentent de comparer des planètes dans des systèmes solaires séparés, de nombreuses variables peuvent différer en fonction des propriétés distinctes des étoiles et de leurs emplacements dans des parties disparates de la galaxie. Il a déclaré que l'étude des exoplanètes dans le même système permet d'étudier des planètes ayant connu une histoire similaire.

Du point de vue des étoiles, TOI-1136 est jeune, âgé de seulement 700 millions d'années, une autre caractéristique qui a attiré les chasseurs d'exoplanètes. Robertson a déclaré que les étoiles juvéniles sont à la fois "difficiles et spéciales" à étudier car elles sont très actives. Le magnétisme, les taches solaires et les éruptions solaires sont plus fréquents et intenses à ce stade du développement d'une étoile, et les explosions de rayonnement qui en résultent sculptent les planètes et affectent leurs atmosphères.

Les exoplanètes confirmées de TOI-1136, de TOI-1136 b à TOI-1136 g, sont catégorisées comme "sub-Neptunes" par les experts. Robertson a déclaré que la plus petite d'entre elles a un rayon plus de deux fois supérieur à celui de la Terre, et les autres ont jusqu'à quatre fois le rayon de la Terre, comparable à la taille d'Uranus et de Neptune.

Toutes ces planètes orbitent autour de TOI-1136 en moins de 88 jours, soit le temps qu'il faut à Mercure pour faire le tour du soleil de la Terre, selon l'étude. "Nous mettons tout un système solaire dans une région autour de l'étoile si petite que notre système planétaire entier serait à l'extérieur", a déclaré Robertson.

"Ce sont des planètes étranges pour nous car nous n'avons rien d'exactement similaire dans notre système solaire", a déclaré le co-auteur Rae Holcomb, candidate au doctorat en physique à l'UCI. "Mais plus nous étudions d'autres systèmes planétaires, plus il semble qu'elles soient le type de planètes le plus courant dans la galaxie."

Un autre aspect étrange de ce système solaire est la présence possible mais non confirmée d'une septième planète. Les chercheurs ont détecté certaines preuves d'une autre force résonante dans le système. Robertson a expliqué que lorsque les planètes orbitent près les unes des autres, elles peuvent s'attirer mutuellement gravitationnellement.

'When you hear a chord played on a piano and it sounds good to you, it's because there is resonance, or even spacing, between the notes that you're hearing,' he said. 'The orbital periods of these planets are spaced similarly. When the exoplanets are in resonance, the tugs are in the same direction every time. This can have a destabilizing effect, or in special cases, it can serve to make the orbits more stable.'

Robertson noted that far from answering all his team's questions about the exoplanets in this system, the survey has made the researchers want to pursue additional knowledge, particularly about the composition of planetary atmospheres. That line of inquiry would be best approached through the advanced spectroscopy capabilities of NASA's James Webb Space Telescope, he said.

'I am proud that both UCO's Lick Observatory and the Keck Observatories were involved in the characterization of a really important system,' said Matthew Shetrone, deputy director of UC Observatories. 'Having so many moderate-sized planets in the same system really lets us test formation scenarios. I really want to know more about these planets! Might we find a molten rock world, a water world and an ice world all in the same solar system? It almost feels like science fiction.'

Journal information: Astronomical Journal , arXiv

Provided by University of California, Irvine