Les astronomes dévoilent les mystères de la formation et de l’évolution des planètes dans un système planétaire lointain

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Un système solaire récemment découvert avec six exoplanètes confirmées et une possible septième améliore les connaissances des astronomes sur la formation et l'évolution des planètes. S'appuyant sur un arsenal mondial d'observatoires et d'instruments, 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 Le journal astronomique, les chercheurs partagent les résultats de l'enquête TESS-Keck, fournissant une description détaillée des exoplanètes en orbite autour de TOI-1136, une étoile naine 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 à l’aide des données du Transiting Exoplanet Survey Satellite. Ce projet a fourni la première estimation de la masse des exoplanètes en enregistrant les variations du temps de transit, une mesure de l'attraction gravitationnelle que les planètes en orbite exercent les unes sur les autres.

Pour l’étude la plus récente, les chercheurs ont associé les données TTV à 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 Echelle haute résolution de l'observatoire WM Keck sur le Mauna Kea à Hawaï, ils ont pu détecter de légères variations du mouvement stellaire via le décalage vers le rouge et le décalage vers le bleu de l'effet Doppler – ce qui les a aidés à déterminer des lectures de masse planétaire d’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 vitesse radiale superposées aux données TTV. L'auteur principal Corey Beard, titulaire d'un doctorat UCI. candidat en physique, a déclaré que la combinaison de ces deux types de lectures a permis d'obtenir plus de connaissances sur le système que jamais auparavant.

« Cela a nécessité 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 compliqués de la littérature sur les exoplanètes à ce jour », a déclaré Beard.

Le grand nombre de planètes est l’un des facteurs qui ont incité l’équipe d’astronomie à mener des recherches plus approfondies, selon le co-auteur Paul Robertson, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’UCI.

« Nous considérons TOI-1136 comme étant très avantageux du point de vue de la recherche, car lorsqu'un système possède plusieurs exoplanètes, nous pouvons contrôler les effets de l'évolution de la planète qui dépendent de l'étoile hôte, ce qui nous aide à nous concentrer sur les mécanismes physiques individuels qui ont conduit à à ces planètes ayant les propriétés qu'elles possèdent », a-t-il déclaré.

Robertson a ajouté que lorsque les astronomes tentent de comparer des planètes dans des systèmes solaires distincts, de nombreuses variables peuvent différer en fonction des propriétés distinctes des étoiles et de leur emplacement dans des parties disparates de la galaxie. Il a déclaré que l’examen des exoplanètes du même système permettait d’étudier des planètes qui ont connu une histoire similaire.

Selon les normes stellaires, TOI-1136 est jeune, âgée de seulement 700 millions d’années, une autre caractéristique qui a attiré les chasseurs d’exoplanètes. Robertson a déclaré que les jeunes stars sont à la fois « difficiles et spéciales » avec lesquelles travailler parce qu'elles sont très actives. Le magnétisme, les taches solaires et les éruptions solaires sont plus répandus et plus intenses au cours de cette étape du développement d'une étoile, et le rayonnement qui en résulte explose et sculpte les planètes, affectant leur atmosphère.

Les exoplanètes confirmées de TOI-1136, TOI-1136 b à TOI-1136 g, sont classées comme « sous-Neptunes » par les experts. Robertson a déclaré que le plus petit mesure plus de deux fois le rayon de la Terre, et que d'autres mesurent jusqu'à quatre fois le rayon de la Terre, comparable aux tailles d'Uranus et de Neptune.

Toutes ces planètes orbitent autour de TOI-1136 en moins de 88 jours qu'il faut à Mercure pour faire le tour du soleil terrestre, selon l'étude. « Nous regroupons un système solaire entier dans une région autour de l'étoile si petite que tout notre système planétaire ici se trouverait en dehors de celle-ci », a déclaré Robertson.

« Ce sont des planètes étranges pour nous parce que nous n'avons rien de semblable dans notre système solaire », a déclaré le co-auteur Rae Holcomb, doctorant à l'UCI. candidat en physique. « Mais plus nous étudions d'autres systèmes planétaires, il semble qu'ils constituent peut-être le type de planète le plus répandu dans la galaxie. »

Un autre élément étrange de ce système solaire est la présence possible, mais non confirmée, d'une septième planète. Les chercheurs ont détecté des preuves d'une autre force de résonance dans le système. Robertson a expliqué que lorsque les planètes tournent à proximité les unes des autres, elles peuvent s’attirer gravitationnellement.

« Quand vous entendez un accord joué sur un piano et que cela vous semble bon, c'est parce qu'il y a une résonance, voire un espacement, entre les notes que vous entendez », explique-t-il. « Les périodes orbitales de ces planètes sont espacées de la même manière. Lorsque les exoplanètes sont en résonance, les remorqueurs sont à chaque fois dans la même direction. Cela peut avoir un effet déstabilisant, ou dans des cas particuliers, cela peut servir à rendre les orbites plus écurie. »

Robertson a noté que loin de répondre à toutes les questions de son équipe sur les exoplanètes de ce système, l'enquête a donné envie aux chercheurs d'approfondir leurs connaissances, notamment sur la composition des atmosphères planétaires. Cette piste d'enquête serait mieux abordée grâce aux capacités de spectroscopie avancées du télescope spatial James Webb de la NASA, a-t-il déclaré.

« Je suis fier que l'observatoire Lick de l'UCO et les observatoires Keck aient été impliqués dans la caractérisation d'un système vraiment important », a déclaré Matthew Shetrone, directeur adjoint des observatoires UC. « Avoir autant de planètes de taille moyenne dans le même système nous permet vraiment de tester des scénarios de formation. Je veux vraiment en savoir plus sur ces planètes ! Pourrions-nous trouver un monde de roches en fusion, un monde d'eau et un monde de glace, tous dans le même système solaire. ? Cela ressemble presque à de la science-fiction.

Des chercheurs de l'Institut espagnol d'astrophysique des îles Canaries ont rejoint Robertson et Beard dans cette étude ; l'Institut de technologie de Californie ; l'Université de technologie Chalmers de Suède ; l'Université Johns Hopkins du Maryland ; l'Université espagnole de La Laguna ; l'Université de Lund en Suède ; l'Université Nicolas Copernic de Pologne ; l'Université de Princeton dans le New Jersey ; l'Université Ritsumeikan du Japon ; l'Institut SETI de Californie ; l'Institut scientifique du télescope spatial du Maryland ; l'Université de Californie, Santa Cruz ; l'Université de Californie, Berkeley ; l'Université de Californie, Los Angeles ; l'Université de Californie, Riverside ; l'Université d'Hawaï ; l'Université de Chicago ; l'Université du Kansas ; l'Université Notre-Dame de l'Indiana ; l'Université du Queensland du Sud en Australie ; et l'Université de Yale dans le Connecticut. Le financement a été fourni par la Fondation WM Keck, la NASA et la National Science Foundation.

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