Découverte de la plus massive des Super-Terres
Une exoplanète récemment découverte à seulement 200 années-lumière de nous pourrait apporter des éclaircissements sur l’un des plus étranges mystères de la science planétaire.
Avec un rayon d’environ 1,8 fois celui de la Terre, l’objet nommé TOI-1075b se classe parmi les plus grands exemples d’exoplanètes du genre super-terres découvertes à ce jour. Elle se situe également dans ce qui est appelé l’écart de Fulton, un manque apparent de planètes entre 1,5 et 2 rayons terrestres.
Image d’entête : représentation de TOI-1075 b, l’une des super-Terres les plus massives détectées à ce jour. (NASA/ JPL-Caltech)
Des super-Terres rocheuses légèrement plus petites ont été découvertes. Il en va de même pour des mondes légèrement plus grands, dotés d’une atmosphère bouffie, connus sous le nom de mini-Neptunes. Mais entre les deux, c’est une sorte de désert.
Cette importante circonférence n’est pas que de la gonflette. La masse de TOI-1075b est 9,95 fois celle de la Terre. C’est beaucoup trop pour un monde gazeux. Avec sa densité déduite, l’exoplanète est probablement rocheuse, comme Mercure, la Terre, Mars et Vénus. Cette particularité en fait une candidate idéale pour sonder les théories de formation et d’évolution des planètes.
L’écart de Fulton n’a été identifié qu’il y a quelques années, en 2017, lorsque nous disposions d’un catalogue d’exoplanètes (planètes extrasolaires, ou planètes situées en dehors du système solaire) suffisamment important pour que les scientifiques remarquent une tendance. Pour les exoplanètes situées à une certaine proximité de leur étoile, très peu de mondes ont été trouvés qui chevauchent cet écart.
Il existe plusieurs explications possibles à ce phénomène, la principale semble être qu’en dessous d’une certaine taille, une exoplanète n’a tout simplement pas la masse nécessaire pour conserver une atmosphère contre le rayonnement d’évaporation si proche de son étoile hôte. Selon ce modèle, les exoplanètes situées dans le trou noir devraient donc avoir une atmosphère assez importante, composée principalement d’hydrogène et d’hélium.
C’est le cas de TOI-1075b. Elle a été détectée dans les données du télescope de recherche d’exoplanètes de la NASA, TESS. Le Transiting Exoplanet Survey Satellite, recherche de légères et régulières baisses dans la lumière d’autres étoiles (méthode du transit), suggérant que ces étoiles sont accompagnées d’une exoplanète. Les astronomes peuvent également déterminer le rayon de cette exoplanète en fonction de la quantité de lumière de l’étoile qui est atténuée.
Le transit, une méthode de détection des planètes lorsqu’elles passent devant leur étoile, en diminuant la luminosité de cette dernière. (NASA)
Les données de TESS suggèrent que l’étoile naine orange TOI-1075 est en orbite autour d’une exoplanète dont le rayon est environ 1,72 fois celui de la Terre et dont la période orbitale est d’environ 14,5 heures. Cela a attiré l’attention de l’astronome Zahra Essack du Massachusetts Institute of Technology (MIT/ États-Unis), qui étudie les super-terres chaudes. À ce rayon et à cette proximité, le monde candidat de l’époque répondait aux critères d’un monde à écart de Fulton.
L’étape suivante pour tenter de comprendre la nature de cette exoplanète a été de la peser. Cela implique de tirer parti d’un effet différent qu’une exoplanète a sur son étoile hôte : la gravité. La majeure partie de la gravité dans une interaction étoile-planète est fournie par l’étoile, mais la planète exerce également une petite poussée gravitationnelle sur l’étoile. Cela signifie que cette dernière oscille très légèrement sur place, et les astronomes peuvent le détecter par de minuscules changements dans la lumière de l’étoile (Méthode des vitesses radiales).
Représentation de la méthode des vitesses radiales. Lorsque la planète est en orbite, son attraction gravitationnelle fait bouger l’étoile hôte d’avant en arrière. Ce minuscule mouvement radial modifie le spectre observé de l’étoile d’une quantité proportionnellement faible en raison du décalage Doppler. (ESO)
Si nous connaissons la masse de l’étoile, ces changements peuvent être utilisés pour évaluer la masse de la planète qui fait vaciller l’étoile. La masse et le rayon de TOI-1075 représentent environ 60 % de ceux de notre propre Soleil. Essack et ses collègues ont donc pu calculer avec précision la masse de l’exoplanète à 9,95 masses terrestres. Et leurs mesures de précision de la taille ont donné 1,791 rayon terrestre.
Si vous connaissez la taille et le poids d’un objet, vous pouvez alors calculer sa densité moyenne. Et c’est ainsi que TOI-1075b s’est avérée avoir une densité de 9,32 grammes par centimètre cube. C’est presque le double de la densité de la Terre, qui est de 5,51 grammes par centimètre cube, ce qui en fait une candidate au titre de la plus dense des super-Terres connues.
Une exoplanète dans l’écart de masse devrait avoir une atmosphère hydrogène-hélium. La densité de TOI-1075b est incompatible avec une atmosphère substantielle. C’est très curieux. Mais ce que l’exoplanète pourrait avoir à la place est potentiellement encore plus fascinant.
Selon les chercheurs dans leur étude :
Sur la base de la composition prévue de TOI-1075b et de sa période orbitale ultra-courte, nous ne nous attendons pas à ce que la planète ait conservé une enveloppe H/He .
Mais TOI-1075b pourrait soit ne pas avoir d’atmosphère (roche nue), soit avoir une atmosphère de vapeur de métal/silicate dont la composition est déterminée par le magma-océan en cours de vaporisation à la surface, puisque la température d’équilibre de TOI-1075b est suffisamment chaude pour faire fondre une surface rocheuse, ou encore, surtout à l’extrémité inférieure de sa plage de densité moyenne autorisée, peut-être une mince atmosphère de H/He ou de CO2 ou autre.
Oui, vous avez bien lu. TOI-1075b est si chaude (parce qu’elle est si proche de son étoile) que sa surface pourrait être un océan de magma qui produit une atmosphère de roche vaporisée.
La bonne nouvelle c’est que nous pourrions le découvrir. Comme nous l’avons vu récemment, le télescope spatial James Webb est très efficace pour scruter l’atmosphère des exoplanètes. En visant TOI-1075b, il devrait permettre de déterminer si l’atmosphère de cette planète est mince, silicatée ou inexistante, et cette information pourrait révéler une bizarrerie jusqu’alors inconnue dans la formation et l’évolution des planètes, ainsi que la façon dont les super-terres perdent leur gaz.
L’étude sera publiée dans The Astronomical Journal et disponible en prépublication dans arXiv : TOI-1075 b: A Dense, Massive, Ultra-Short Period Hot Super-Earth Straddling the Radius Gap et présentée sur le site Exoplanet Exploration de la NASA : Discovery Alert: Massive Planet is a ‘Hulk’ among Super-Earths.