Les données de la NASA révèlent une possible raison pour laquelle certains exoplanètes rétrécissent.

15 novembre 2023

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par Chelsea Gohd, NASA

Une nouvelle étude pourrait expliquer les exoplanètes « manquantes » entre les super-Terres et les sous-Neptunes.

Il semble que certaines exoplanètes perdent leur atmosphère et rétrécissent. Dans une nouvelle étude utilisant le télescope spatial Kepler de la NASA, les astronomes trouvent des preuves d'une cause possible : les noyaux de ces planètes repoussent leurs atmosphères de l'intérieur.

L'étude est publiée dans The Astronomical Journal.

Les exoplanètes (planètes en dehors de notre système solaire) se présentent sous différentes tailles, des planètes rocheuses petites aux géantes gazeuses colossales. Au milieu se trouvent les super-Terres rocheuses et les sous-Neptunes plus grandes avec des atmosphères gonflées. Mais il y a une absence significative - un « écart de taille » - de planètes qui se situent entre 1,5 et 2 fois la taille de la Terre (ou entre super-Terres et sous-Neptunes) que les scientifiques cherchent à mieux comprendre.

« Les scientifiques ont maintenant confirmé la détection de plus de 5 000 exoplanètes, mais il y a moins de planètes que prévu avec un diamètre compris entre 1,5 et 2 fois celui de la Terre », a déclaré Jessie Christiansen, chercheuse au Caltech/IPAC, responsable scientifique du NASA Exoplanet Archive et auteure principale de la nouvelle étude. « Les scientifiques des exoplanètes ont suffisamment de données maintenant pour dire que cet écart n'est pas un hasard. Il se passe quelque chose qui empêche les planètes d'atteindre et/ou de rester à cette taille. »

Les chercheurs pensent que cet écart pourrait s'expliquer par la perte d'atmosphère de certaines sous-Neptunes au fil du temps. Cette perte se produirait si la planète n'a pas suffisamment de masse, et donc de force gravitationnelle, pour retenir son atmosphère. Ainsi, les sous-Neptunes qui ne sont pas assez massives rétréciraient pour atteindre environ la taille des super-Terres, laissant un vide entre les deux tailles de planètes.

Mais comment exactement ces planètes perdent leur atmosphère est resté un mystère. Les scientifiques se sont fixé sur deux mécanismes probables : le perte de masse alimentée par le noyau ; et l'évaporation photochimique. L'étude a découvert de nouvelles preuves soutenant la première hypothèse.

La perte de masse alimentée par le noyau se produit lorsque le rayonnement émis par le noyau chaud d'une planète repousse l'atmosphère loin de la planète au fil du temps, « et ce rayonnement pousse sur l'atmosphère par en dessous », a déclaré Christiansen.

L'autre explication principale de cet écart planétaire, l'évaporation photochimique, se produit lorsque l'atmosphère d'une planète est essentiellement soufflée par le rayonnement chaud de son étoile hôte. Dans ce scénario, « le rayonnement haute énergie de l'étoile agit comme un sèche-cheveux sur un glaçon », a-t-elle précisé.

Alors que l'évaporation photochimique est censée se produire pendant les 100 premiers millions d'années d'une planète, la perte de masse alimentée par le noyau est supposée se produire beaucoup plus tard – environ 1 milliard d'années après le début de vie d'une planète. Mais avec l'un ou l'autre mécanisme, « si vous n'avez pas assez de masse, vous ne pouvez pas retenir, et vous perdez votre atmosphère et vous rétrécissez », a ajouté Christiansen.

Pour cette étude, Chistiansen et ses co-auteurs ont utilisé des données du K2 de la NASA, une mission prolongée du télescope spatial Kepler, pour étudier les amas d'étoiles de Praesepe et Hyades, qui ont entre 600 et 800 millions d'années. Comme on considère généralement que les planètes ont le même âge que leur étoile hôte, les sous-Neptunes de ce système seraient passées à un âge où l'évaporation photochimique ne pourrait pas avoir eu lieu, mais elles ne seraient pas assez vieilles pour avoir connu la perte de masse alimentée par le noyau.

Ainsi, si l'équipe voyait qu'il y avait beaucoup de sous-Neptunes dans Praesepe et Hyades (par rapport à d'autres amas d'étoiles plus âgées), elle pourrait conclure que l'évaporation photochimique n'a pas eu lieu. Dans ce cas, la perte de masse alimentée par le noyau serait l'explication la plus probable de ce qui arrive aux sous-Neptunes moins massives au fil du temps.

En observant Praesepe et Hyades, les chercheurs ont découvert que près de 100% des étoiles de ces amas ont encore une planète ou un candidat-planète de type sous-Neptune en orbite. En se basant sur la taille de ces planètes, les chercheurs pensent qu'elles ont conservé leurs atmosphères.

Cela diffère des autres étoiles plus anciennes observées par K2 (étoiles de plus de 800 millions d'années), dont seulement 25% ont des sous-Neptunes en orbite. L'âge plus avancé de ces étoiles correspond davantage à la période où l'on pense que la perte de masse alimentée par le noyau se produit.

From these observations, the team concluded that photoevaporation could not have taken place in Praesepe and Hyades. If it had, it would have occurred hundreds of millions of years earlier, and these planets would have little—if any—atmosphere left. This leaves core-powered mass loss as the leading explanation for what likely happens to the atmospheres of these planets.

Christiansen's team spent more than five years building the planet candidate catalog necessary for the study. But the research is far from complete, she said, and it is possible that the current understanding of photoevaporation and/or core-powered mass loss could evolve. The findings will likely be put to the test by future studies before anyone can declare the mystery of this planetary gap solved once and for all.

This study was conducted using the NASA Exoplanet Archive, which is operated by Caltech in Pasadena under contract with NASA as part of the Exoplanet Exploration Program, which is located at NASA's Jet Propulsion Laboratory in Southern California. JPL is a division of Caltech.

Provided by NASA