Cette vue d’artiste montre une exoplanète géante gazeuse en orbite autour d’une étoile semblable au soleil, illustrée par Kepler-1625b. Crédit : NASA
Découverte d’exolunes géantes autour des planètes Kepler-1625b et Kepler-1708b remise en question.
Tout comme on peut supposer que les étoiles de notre voie Lactée sont en orbite autour de planètes, les lunes autour de ces exoplanètes ne devraient pas être rares. Cela rend d’autant plus difficile leur détection. Jusqu’à présent, seules deux des plus de 5 300 exoplanètes connues possèdent des lunes. Une nouvelle analyse de données démontre désormais que les déclarations scientifiques sont rarement noires ou blanches, que derrière chaque résultat se cache un degré plus ou moins d’incertitude et que le cheminement vers une déclaration ressemble souvent à un thriller.
Introduction à la recherche Exomoon
Lors des observations des planètes Kepler-1625b et Kepler-1708b réalisées par les télescopes spatiaux Kepler et Hubble, les chercheurs ont découvert pour la première fois des traces de telles lunes. Une nouvelle étude soulève désormais des doutes sur ces affirmations antérieures. Comme le rapportent des scientifiques de l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire et de l’Observatoire Sonnenberg, tous deux en Allemagne, dans la revue Astronomie naturelleles interprétations « planétaires uniquement » des observations sont plus concluantes.
Pour leur analyse, les chercheurs ont utilisé leur nouvel algorithme informatique Pandora, qui facilite et accélère la recherche d’exomoons. Ils ont également étudié quels types d’exomoons peuvent en principe être trouvés dans les observations astronomiques spatiales modernes. Leur réponse est assez choquante.
Exomoons : une rareté en observation
Dans notre Système Solaire, le fait qu’une planète soit orbitée par une ou plusieurs lunes est plutôt la règle que l’exception : hormis Mercure et Vénus, toutes les autres planètes ont de tels compagnons ; dans le cas de la géante gazeuse Saturne Les chercheurs ont trouvé jusqu’à aujourd’hui 140 satellites naturels. Les scientifiques estiment donc probable que les planètes situées dans des systèmes stellaires lointains abritent également des lunes. Jusqu’à présent, cependant, il n’y a eu des preuves de telles exolunes que dans deux cas : Kepler-1625b et Kepler-1708b. Ce faible rendement n’est pas surprenant. Après tout, les satellites lointains sont naturellement beaucoup plus petits que leur monde d’origine – et donc beaucoup plus difficiles à trouver. Et il faut énormément de temps pour parcourir les données d’observation de milliers d’exoplanètes à la recherche de preuves de la présence de lunes.
Pandora : l’algorithme de recherche Exomoon
Pour rendre la recherche plus facile et plus rapide, les auteurs de la nouvelle étude s’appuient sur un algorithme de recherche appelé Pandora qu’ils ont eux-mêmes développé et optimisé pour la recherche d’exomoons. Ils ont publié leur méthode l’année dernière et l’algorithme est accessible à tous les chercheurs sous forme de code open source. Appliqués aux données d’observation de Kepler-1625b et Kepler-1708b, les résultats étaient étonnants.
« Nous aurions aimé confirmer la découverte d’exolunes autour de Kepler-1625b et Kepler-1708b », déclare le premier auteur de la nouvelle étude, le Dr René Heller, scientifique du MPS. « Mais malheureusement, nos analyses montrent le contraire », ajoute-t-il.
Dévoilement du jeu cosmique de cache-cache
Le JupiterLa planète semblable à Kepler-1625b a fait la une des journaux il y a cinq ans. Des chercheurs à Université de Colombie à New York ont rapporté des preuves solides de la présence d’une lune géante sur son orbite qui éclipserait toutes les lunes du système solaire. Les scientifiques avaient analysé les données de NASALe télescope spatial Kepler de , qui a observé plus de 100 000 étoiles lors de sa première mission de 2009 à 2013 et découvert plus de 2 000 exoplanètes.
Cependant, dans les années qui ont suivi la découverte de 2018, le candidat à l’exomoon a forcé les astronomes à jouer à une version cosmique de cache-cache. Tout d’abord, il a disparu après que les données Kepler aient été nettoyées du bruit systématique. Pourtant, des indices ont été trouvés à nouveau dans d’autres observations avec le Le télescope spatial Hubble. Et puis l’année dernière, cet extraordinaire candidat à l’exomoon a eu de la compagnie : selon les chercheurs new-yorkais, une autre lune géante beaucoup plus grande que la Terre orbite autour de la planète Kepler-1708b, de la taille de Jupiter.
Plusieurs influences peuvent créer un signal lunaire dans une courbe de lumière, même sans la présence d’une véritable lune. Crédit : MPS/hormesdesign.de
La tâche complexe de détection des exomoons
« Les exomoons sont si loin que nous ne pouvons pas les voir directement, même avec les télescopes modernes les plus puissants », explique le Dr René Heller.
Au lieu de cela, les télescopes enregistrent les fluctuations de luminosité des étoiles lointaines, dont la série temporelle est appelée courbe de lumière. Les chercheurs recherchent ensuite des signes de lunes dans ces courbes de lumière. Si un exoplanète passe devant son étoile vue de la Terre, il obscurcit l’étoile d’une infime fraction. Cet événement est appelé transit et se reproduit régulièrement avec la période orbitale de la planète autour de l’étoile. Une exomoon accompagnant la planète aurait un effet d’atténuation similaire. Sa trace dans la courbe de lumière serait cependant nettement plus faible.
De plus, en raison du mouvement de la Lune et de la planète autour de leur centre de gravité mutuel, cette atténuation supplémentaire de la courbe de lumière suivrait un schéma plutôt compliqué. Et il y a d’autres effets à prendre en compte, tels que les éclipses planète-Lune, les variations naturelles de luminosité de l’étoile et d’autres sources de bruit générées lors des mesures télescopiques.
Afin de détecter néanmoins les lunes, les chercheurs new-yorkais et leurs collègues allemands calculent d’abord plusieurs millions de courbes de lumière « artificielles » pour toutes les tailles, distances mutuelles et orientations orbitales imaginables des planètes et des lunes possibles. Un algorithme compare ensuite ces courbes de lumière simulées avec la courbe de lumière observée et recherche la meilleure correspondance. Les chercheurs de Göttingen et Sonneberg ont utilisé leur algorithme open source Pandora, optimisé pour la recherche d’exomoons et capable de résoudre cette tâche plusieurs ordres de grandeur plus rapidement que les algorithmes précédents.
Aucune trace de lunes
Dans le cas de la planète Kepler-1708b, le duo allemand a désormais découvert que les scénarios sans lune peuvent expliquer les données d’observation avec autant de précision que ceux avec lune. « La probabilité qu’une lune tourne autour de Kepler-1708b est clairement inférieure à celle rapportée précédemment », déclare Michael Hippke de l’Observatoire de Sonneberg et co-auteur de la nouvelle étude. « Les données ne suggèrent pas l’existence d’une exomoon autour de Kepler-1708b », poursuit Hippke.
De nombreuses raisons suggèrent que Kepler-1625b est également dépourvu de compagnon géant. Des transits de cette planète devant son étoile ont déjà été observés avec les télescopes Kepler et Hubble. Les chercheurs allemands affirment maintenant que la variation instantanée de la luminosité de l’étoile sur son disque, un effet connu sous le nom d’assombrissement des membres stellaires, a un impact crucial sur le signal d’exomoon proposé.
Le bord du disque solaire, par exemple, apparaît plus sombre que le centre. Cependant, selon que vous regardez l’étoile d’origine de Kepler-1625b à travers le télescope Kepler ou Hubble, cet effet d’assombrissement des branches est différent. En effet, Kepler et Hubble sont sensibles aux différentes longueurs d’onde de la lumière qu’ils reçoivent. Les chercheurs de Göttingen et de Sonneberg affirment désormais que leur modélisation de cet effet explique les données de manière plus concluante qu’une exomoon géante.
Leurs nouvelles analyses approfondies montrent également que les algorithmes de recherche d’exomoon produisent souvent des résultats faussement positifs. À maintes reprises, ils « découvrent » une lune alors qu’en réalité il n’y a qu’une planète qui transite par son étoile hôte. Dans le cas d’une courbe légère comme celle de Kepler-1625b, le taux de « faux résultats » devrait être d’environ 11 %. « La précédente revendication d’exomoon par nos collègues de New York était le résultat d’une recherche de lunes autour de dizaines d’exoplanètes », explique Heller. « Selon nos estimations, un résultat faussement positif n’est pas du tout surprenant, mais presque prévisible », ajoute-t-il.
D’étranges satellites
Les chercheurs ont également utilisé leur algorithme pour prédire les types d’exomoons réels qui pourraient être clairement détectables dans les missions spatiales à courbes de lumière comme Kepler. Selon leur analyse, seules les lunes particulièrement grandes gravitant autour de leur planète sur une orbite large sont détectables avec la technologie actuelle. Comparées aux lunes familières de notre système solaire, elles seraient toutes bizarres : au moins deux fois plus grandes que Ganymède, la plus grande lune du système solaire et donc presque aussi grande que la Terre.
« Les premières exolunes qui seront découvertes lors d’observations futures, comme celles de la mission PLATO, seront certainement très inhabituelles et donc passionnantes à explorer », explique Heller.
