Des astronomes repèrent une planète « très excentrique » en passe de devenir un Jupiter chaud

Les Jupiters brûlants font partie des planètes les plus extrêmes de la galaxie. Ces mondes brûlants sont aussi massifs que Jupiter et ils oscillent à une vitesse folle autour de leur étoile, tournant sur eux-mêmes en quelques jours, alors que notre géante gazeuse effectue une orbite tranquille de 4 000 jours autour du Soleil.

Les scientifiques soupçonnent cependant que les Jupiters chauds n’ont pas toujours été aussi chauds et qu’ils se sont peut-être formés en tant que « Jupiters froids », dans des environnements plus froids et plus éloignés. Mais la façon dont ils ont évolué pour devenir les géantes gazeuses enveloppantes d’étoiles que les astronomes observent aujourd’hui est une grande inconnue.

Des astronomes du MIT, de l’université Penn State et d’ailleurs ont découvert un « progéniteur » de Jupiter chaud, une sorte de planète juvénile qui est en train de devenir un Jupiter chaud. Et son orbite fournit des réponses sur la façon dont les Jupiters chauds évoluent. Les résultats sont publiés dans la revue Nature.

Les co-auteurs incluent Haedam Im, étudiant de premier cycle au MIT, l’auteur principal Arvind Gupta de l’Université Penn State et du NSF NOIRLab, ainsi que des collaborateurs de plusieurs autres universités, institutions et observatoires.

La nouvelle planète, baptisée TIC 241249530 b par les astronomes, gravite autour d’une étoile située à environ 1 100 années-lumière de la Terre. La planète tourne autour de son étoile sur une orbite très « excentrique », ce qui signifie qu’elle s’approche extrêmement près de l’étoile avant de s’élancer très loin, puis de revenir en arrière, en suivant un circuit étroit et elliptique.

Si la planète faisait partie de notre système solaire, elle s’approcherait dix fois plus près du Soleil que Mercure, avant de s’élancer, de dépasser la Terre et de faire demi-tour. Selon les estimations des scientifiques, l’orbite allongée de la planète présente l’excentricité la plus élevée de toutes les planètes détectées à ce jour.

L’orbite de la nouvelle planète est également unique en raison de son orientation « rétrograde ». Contrairement à la Terre et aux autres planètes du système solaire, qui gravitent dans la même direction que le Soleil, la nouvelle planète se déplace dans une direction opposée à celle de son étoile.

L’équipe a effectué des simulations de la dynamique orbitale et a découvert que l’orbite très excentrique et rétrograde de la planète est le signe qu’elle évolue probablement vers un Jupiter chaud, par le biais d’une « migration à haute excentricité » – un processus par lequel l’orbite d’une planète vacille et se rétrécit progressivement lorsqu’elle interagit avec une autre étoile ou planète sur une orbite beaucoup plus large.

Dans le cas de TIC 241249530 b, les chercheurs ont déterminé que la planète orbite autour d’une étoile primaire qui elle-même orbite autour d’une étoile secondaire, dans le cadre d’un système binaire stellaire. Les interactions entre les deux orbites – de la planète et de son étoile – ont provoqué une migration progressive de la planète vers son étoile au fil du temps.

L’orbite de la planète est actuellement de forme elliptique, et il lui faut environ 167 jours pour faire le tour complet de son étoile. Les chercheurs prédisent que dans 1 milliard d’années, la planète évoluera vers une orbite circulaire beaucoup plus serrée, et qu’elle tournera alors autour de son étoile tous les deux ou trois jours. À ce moment-là, la planète aura complètement évolué vers un Jupiter chaud.

« Cette nouvelle planète soutient la théorie selon laquelle la migration à forte excentricité devrait être responsable d’une certaine fraction des Jupiters chauds », explique Sarah Millholland, professeure adjointe de physique à l’Institut Kavli pour l’astrophysique et la recherche spatiale du MIT.

« Nous pensons que lorsque cette planète s’est formée, elle aurait été un monde glacial. Et en raison de la dynamique orbitale spectaculaire, elle deviendra un Jupiter chaud dans environ un milliard d’années, avec des températures de plusieurs milliers de kelvins. C’est donc un énorme changement par rapport à son point de départ. »

« Saisons radicales »

La nouvelle planète a été repérée pour la première fois dans les données prises par le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, une mission dirigée par le MIT qui surveille la luminosité des étoiles proches pour détecter les « transits », ou brèves baisses de lumière des étoiles qui pourraient signaler la présence d’une planète passant devant et bloquant temporairement la lumière d’une étoile.

Le 12 janvier 2020, TESS a détecté un possible transit de l’étoile TIC 241249530. Gupta et ses collègues de Penn State ont déterminé que ce transit correspondait au passage d’une planète de la taille de Jupiter devant l’étoile. Ils ont ensuite acquis des mesures provenant d’autres observatoires de la vitesse radiale de l’étoile, qui estime l’oscillation d’une étoile, ou le degré auquel elle se déplace d’avant en arrière, en réponse à d’autres objets proches qui pourraient tirer gravitationnellement sur l’étoile.

Ces mesures ont confirmé qu’une planète de la taille de Jupiter tournait autour de l’étoile et que son orbite était très excentrique, rapprochant extrêmement la planète de l’étoile avant de la projeter très loin.

Avant cette détection, les astronomes ne connaissaient qu’une seule autre planète, HD 80606 b, que l’on pensait être un Jupiter chaud primitif. Cette planète, découverte en 2001, détenait jusqu’à présent le record de la plus grande excentricité.

« Cette nouvelle planète connaît des changements spectaculaires de luminosité tout au long de son orbite », explique Millholland. « Il doit y avoir des saisons vraiment radicales et une atmosphère absolument brûlante à chaque passage à proximité de l’étoile. »

« Danse des orbites »

Comment une planète a-t-elle pu tomber sur une orbite aussi extrême ? Et comment son excentricité a-t-elle pu évoluer au fil du temps ? Pour répondre à ces questions, Im et Millholland ont effectué des simulations de la dynamique orbitale planétaire afin de modéliser l’évolution de la planète au cours de son histoire et la manière dont elle pourrait perdurer pendant des centaines de millions d’années.

L’équipe a modélisé les interactions gravitationnelles entre la planète, son étoile et la seconde étoile proche. Gupta et ses collègues ont observé que les deux étoiles gravitent en orbite l’une autour de l’autre dans un système binaire, tandis que la planète gravite simultanément autour de l’étoile la plus proche. La configuration des deux orbites ressemble un peu à celle d’une artiste de cirque faisant tournoyer un cerceau autour de sa taille, tout en faisant tourner un deuxième cerceau autour de son poignet.

Millholland et Im ont effectué plusieurs simulations, chacune avec un ensemble différent de conditions de départ, pour voir quelle condition, une fois reportée sur plusieurs milliards d’années, produisait la configuration des orbites planétaires et stellaires que l’équipe de Gupta a observée aujourd’hui. Ils ont ensuite effectué la meilleure correspondance encore plus loin dans le futur pour prédire comment le système évoluera au cours des prochains milliards d’années.

Ces simulations ont révélé que la nouvelle planète est probablement en train d’évoluer vers un Jupiter chaud : il y a plusieurs milliards d’années, la planète s’est formée comme un Jupiter froid, loin de son étoile, dans une région suffisamment froide pour se condenser et prendre forme. Fraîchement formée, la planète a probablement tourné autour de l’étoile selon une trajectoire circulaire. Cette orbite conventionnelle, cependant, s’est progressivement allongée et est devenue excentrique, car elle a subi les forces gravitationnelles de l’orbite mal alignée de l’étoile avec sa deuxième étoile binaire.

« C’est un processus assez extrême dans la mesure où les changements d’orbite de la planète sont considérables », explique Millholland. « C’est une grande danse d’orbites qui se déroule sur des milliards d’années, et la planète se laisse simplement entraîner dans le tourbillon. »

Dans un milliard d’années, les simulations montrent que l’orbite de la planète se stabilisera sur une trajectoire circulaire rapprochée autour de son étoile.

« La planète deviendra alors un Jupiter chaud à part entière », explique Millholland.

Les observations de l’équipe, ainsi que leurs simulations de l’évolution de la planète, soutiennent la théorie selon laquelle les Jupiters chauds peuvent se former par migration à haute excentricité, un processus par lequel une planète se met progressivement en place via des changements extrêmes de son orbite au fil du temps.

« Il ressort clairement, non seulement de cette étude, mais aussi d’autres études statistiques, que la migration à forte excentricité devrait être responsable d’une certaine fraction des Jupiters chauds », note Millholland.

« Ce système met en évidence l’incroyable diversité des exoplanètes. Ce sont d’autres mondes mystérieux qui peuvent avoir des orbites sauvages et raconter l’histoire de leur évolution et de leur destination. Pour cette planète, son voyage n’est pas encore tout à fait terminé. »

Cet article est republié avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement au MIT.