Les chercheurs utilisant les données du télescope spatial Kepler ont découvert que certaines exoplanètes rétrécissent en raison de la perte de leur atmosphère, probablement causée par le rayonnement de leur noyau. Cette découverte aide à expliquer l’écart de taille observé dans les exoplanètes et indique un processus de perte atmosphérique important différent de la photoévaporation précédemment théorisée.
Une nouvelle étude pourrait expliquer les exoplanètes « manquantes » entre les super-Terres et les sous-Neptunes.
Certaines exoplanètes semblent perdre leur atmosphère et rétrécir. Dans une nouvelle étude utilisant NASAGrâce au télescope spatial Kepler, à la retraite, les astronomes trouvent des preuves d’une cause possible : les noyaux de ces planètes repoussent leur atmosphère de l’intérieur vers l’extérieur.
L’écart de taille des exoplanètes
Les exoplanètes (planètes situées en dehors de notre système solaire) sont de tailles variées, depuis les petites planètes rocheuses jusqu’aux géantes gazeuses colossales. Au milieu se trouvent des super-Terres rocheuses et des sous-Neptunes plus grandes aux atmosphères gonflées. Mais il y a une absence flagrante – un « écart de taille » – de planètes qui font entre 1,5 et 2 fois la taille de la Terre (ou entre les super-Terres et les sous-Neptunes) que les scientifiques s’efforcent de 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 scientifique à Caltech/IPAC, responsable scientifique des archives des exoplanètes de la NASA et responsable auteur de la nouvelle étude en Le journal astronomique. « Les scientifiques des exoplanètes disposent désormais de suffisamment de données pour affirmer que cet écart n’est pas dû au hasard. Il se passe quelque chose qui empêche les planètes d’atteindre et/ou de rester à cette taille.
Le concept de cet artiste montre à quoi pourrait ressembler l’exoplanète sous-Neptune TOI-421 b. Dans une nouvelle étude, les scientifiques ont découvert de nouvelles preuves suggérant comment ces types de planètes peuvent perdre leur atmosphère. Crédit : NASA, ESA, CSA et D. Player (STScI)
Les chercheurs pensent que cet écart pourrait s’expliquer par le fait que certains sous-Neptunes perdent leur atmosphère au fil du temps. Cette perte se produirait si la planète n’avait pas suffisamment de masse, et donc de force gravitationnelle, pour retenir son atmosphère. Ainsi, les sous-Neptunes qui ne sont pas assez massives se réduiraient à peu près à la taille des super-Terres, laissant un écart entre les deux tailles de planètes.
Mais la manière exacte dont ces planètes perdent leur atmosphère reste un mystère. Les scientifiques ont retenu deux mécanismes probables : l’un est appelé perte de masse due au noyau ; et l’autre, la photoévaporation. L’étude a découvert de nouvelles preuves à l’appui de la première.
Cette vidéo explique les différences entre les principaux types d’exoplanètes, ou planètes situées en dehors de notre système solaire. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Résoudre le mystère
La perte de masse provoquée par le noyau se produit lorsque le rayonnement émis par le noyau chaud d’une planète éloigne l’atmosphère de la planète au fil du temps, « et ce rayonnement pousse l’atmosphère par le dessous », a déclaré Christiansen.
L’autre explication principale de l’écart planétaire, la photoévaporation, se produit lorsque l’atmosphère d’une planète est essentiellement emportée par le rayonnement chaud de son étoile hôte. Dans ce scénario, « le rayonnement à haute énergie de l’étoile agit comme un sèche-cheveux sur un glaçon », a-t-elle déclaré.
Alors que l’on pense que la photoévaporation se produit au cours des 100 premiers millions d’années d’une planète, la perte de masse due au noyau se produirait beaucoup plus tard, soit plus près d’un milliard d’années après le début de la vie d’une planète. Mais quel que soit le mécanisme, « si vous n’avez pas assez de masse, vous ne pouvez pas tenir le coup, vous perdez votre atmosphère et vous rétrécissez », a ajouté Christiansen.
Cette infographie détaille les principaux types d’exoplanètes. Les scientifiques ont travaillé pour mieux comprendre « l’écart de taille », ou l’absence flagrante, des planètes situées entre les super-Terres et les sous-Neptunes. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Découvrir des preuves grâce à l’observation
Pour cette étude, Chistiansen et ses co-auteurs ont utilisé les données du K2 de la NASA, une mission étendue du télescope spatial Kepler, pour observer les amas d’étoiles Praesepe et Hyades, âgés de 600 à 800 millions d’années. Parce que l’on pense généralement que les planètes ont le même âge que leur étoile hôte, les sous-Neptunes de ce système auraient dépassé l’âge où la photoévaporation aurait pu avoir lieu, mais pas assez vieux pour avoir subi une perte de masse alimentée par le noyau.
Ainsi, si l’équipe voyait qu’il y avait beaucoup d’étoiles sous-Neptunes dans Praesepe et Hyades (par rapport aux étoiles plus anciennes dans d’autres amas), elle pourrait conclure qu’il n’y avait pas de photoévaporation. 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 massifs au fil du temps.
En observant Praesepe et Hyades, les chercheurs ont découvert que près de 100 % des étoiles de ces amas possèdent encore une sous-couche.Neptune planète ou planète candidate sur leur orbite. A en juger par la taille de ces planètes, les chercheurs pensent qu’elles ont conservé leur atmosphère.
Cette illustration représente le chasseur d’exoplanètes de la NASA, le télescope spatial Kepler. L’agence a annoncé le 30 octobre 2018 que Kepler était à court de carburant et était retiré sur son orbite actuelle et sûre, loin de la Terre. Kepler a laissé en héritage plus de 2 600 découvertes d’exoplanètes. Crédit : NASA/Wendy Stenzel/Daniel Rutter
Cela diffère des autres étoiles plus anciennes observées par K2 (étoiles âgées de plus de 800 millions d’années), dont seulement 25 % ont des orbites sous-Neptunes. L’âge plus avancé de ces étoiles est plus proche de la période pendant laquelle on pense que la perte de masse provoquée par le noyau aura lieu.
De ces observations, l’équipe a conclu que la photoévaporation n’aurait pas pu avoir lieu à Praesepe et Hyades. Si tel avait été le cas, cela se serait produit des centaines de millions d’années plus tôt et ces planètes n’auraient plus que peu ou pas d’atmosphère. Cela laisse la perte de masse due au noyau comme principale explication de ce qui arrive probablement à l’atmosphère de ces planètes.
Recherche en cours et héritage de Kepler
L’équipe de Christiansen a passé plus de cinq ans à créer le catalogue de planètes candidates nécessaire à l’étude. Mais la recherche est loin d’être terminée, a-t-elle déclaré, et il est possible que la compréhension actuelle de la photoévaporation et/ou de la perte de masse propulsée par le cœur évolue. Les résultats seront probablement mis à l’épreuve par de futures études avant que quiconque puisse déclarer que le mystère de cet écart planétaire est résolu une fois pour toutes.
Cette étude a été menée à l’aide des archives des exoplanètes de la NASA, exploitées par Caltech à Pasadena sous contrat avec la NASA dans le cadre du programme d’exploration des exoplanètes, situé au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. JPL est une division de Caltech.
La mission Kepler de la NASA
Le 30 octobre 2018, Kepler est tombé en panne de carburant et a mis fin à sa mission après neuf ans, au cours desquels il a découvert plus de 2 600 planètes confirmées autour d’autres étoiles, ainsi que des milliers de candidats supplémentaires que les astronomes s’efforcent de confirmer.
Le centre de recherche Ames de la NASA, situé dans la Silicon Valley, en Californie, gère les missions Kepler et K2 pour le compte de la Direction des missions scientifiques de la NASA. JPL a géré le développement de la mission Kepler. Ball Aerospace & Technologies Corporation a exploité le système de vol avec le soutien du Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale de l’Université du Colorado à Boulder.
