Dans la périphérie froide et sombre des systèmes planétaires bien au-delà de la portée des planètes connues, des géants du gaz mystérieux et des masses planétaires orbitent silencieusement leurs étoiles – parfois des milliers d'unités astronomiques (UA). Pendant des années, les scientifiques ont perplexe sur la façon dont ces planètes « larges », y compris la planète insaisissable neuf théorisée dans notre propre système solaire, auraient pu se former. Maintenant, une équipe d'astronomes a peut-être enfin trouvé la réponse.
Dans une nouvelle étude publiée dans Astronomie naturelle, Des chercheurs de l'Université Rice et du planétaire des sciences ont utilisé des simulations complexes pour montrer que les planètes larges en orbite ne sont pas des anomalies mais plutôt des sous-produits naturels d'une phase chaotique précoce du développement du système planétaire. Cette phase se produit tandis que les étoiles sont toujours bien emballées dans leurs grappes de naissance et que les planètes se bousculent pour l'espace dans des systèmes turbulents bondés.
« Essentiellement, nous regardons des flipper dans une arcade cosmique », a déclaré André Izidoro, professeur adjoint de sciences de la Terre, de l'environnement et du planétaire chez Rice et auteur principal de l'étude. « Lorsque des planètes géantes se dispersent par des interactions gravitationnelles, certaines sont éloignées de leur étoile. Si le moment et le milieu environnant sont juste, ces planètes ne sont pas éjectées, mais plutôt qu'elles sont piégées dans des orbites extrêmement larges. »
Pour l'étude, l'équipe a dirigé des milliers de simulations impliquant différents systèmes planétaires intégrés dans des environnements de cluster d'étoiles réalistes. Ils ont modélisé une variété de conditions, de systèmes comme notre système solaire avec un mélange de géants de gaz et de glace à des systèmes plus exotiques, y compris ceux avec deux soleils. Ce qu'ils ont découvert était un schéma récurrent: les planètes étaient fréquemment poussées dans de larges orbites excentriques par des instabilités internes, puis stabilisées par l'influence gravitationnelle des étoiles voisines dans le cluster.
« Lorsque ces coups de pied gravitationnels se produisent au bon moment, l'orbite d'une planète se déteste du système planétaire intérieur », a déclaré le co-auteur de l'étude, Nathan Kaib, scientifique senior et spécialiste de l'éducation et de la communication senior au planétaire Science Institute. « Cela crée une planète large en orbite – une planète qui est essentiellement gelée en place après la dispersion du cluster. »
Les chercheurs définissent des planètes larges en orbite comme ayant des axes semi-jores entre 100 et 10 000 AU – des termes qui les placent bien au-delà de la portée des disques de formation de planète traditionnels.
Les résultats pourraient aider à expliquer le mystère de longue date de Planet Nine, une planète hypothétique qui orbit notre soleil à une distance de 250 à 1 000 AU. Bien qu'il n'ait jamais été directement observé, les orbites étranges de plusieurs objets trans-neptuniens font allusion à sa présence.
« Nos simulations montrent que si le système solaire précoce a subi deux phases d'instabilité spécifiques – la croissance d'Uranus et de Neptune et la diffusion ultérieure parmi les géants du gaz – il y a jusqu'à 40% de chances qu'un objet de type Planet neuf aurait pu être piégé pendant cette période », a déclaré Izidoro.
Fait intéressant, l'étude lie également les planètes larges en orbite à la population croissante de planètes en flottant libre ou «voyou» – des mondes éjectés de leurs systèmes entièrement.
« Toutes les planètes dispersées n'ont pas la chance de se faire piéger », a déclaré Kaib. « La plupart finissent par être jetés dans l'espace interstellaire. Mais la vitesse à laquelle ils sont piégés nous donne un lien entre les planètes que nous voyons sur de larges orbites et ceux que nous trouvons errant seuls dans la galaxie. »
Ce concept d ' »efficacité de piégeage » – la probabilité qu'une planète dispersée reste liée à son étoile – est au cœur de l'étude. Les chercheurs ont constaté que les systèmes de type système solaire sont particulièrement efficaces avec des probabilités de piégeage de 5% à 10%. D'autres systèmes, comme ceux composés uniquement de géants de glace ou de planètes circumbinaires, avaient une efficacité beaucoup plus faible.
« Nous nous attendons à environ une planète large en orbite pour chaque mille étoiles », a déclaré Izidoro. « Cela peut sembler petit, mais à travers des milliards d'étoiles dans la galaxie, cela additionne. »
De plus, l'étude identifie des nouvelles cibles prometteuses pour les chasseurs d'exoplanet. Cela suggère que les planètes larges en orbite se trouvent les plus susceptibles d'être trouvées autour d'étoiles de haute métallicité qui hébergent déjà des géants du gaz, ce qui rend ces systèmes de premier plan pour des campagnes d'imagerie profonde.
Les chercheurs ont également noté que si Planet Nine existe, il pourrait être découvert peu de temps après que l'observatoire Vera C. Rubin devienne pleinement opérationnel. Avec sa capacité inégalée à étudier le ciel en profondeur et en détail, l'Observatoire devrait faire progresser considérablement la recherche d'objets du système solaire éloigné, augmentant la probabilité de détecter la planète neuf ou de fournir les preuves nécessaires pour exclure son existence.
« Alors que nous affinons notre compréhension de savoir où chercher et ce qu'il faut rechercher, nous n'augmentons pas seulement les chances de trouver Planet Nine – nous ouvrons une nouvelle fenêtre sur l'architecture et l'évolution des systèmes planétaires dans toute la galaxie », a déclaré Izidoro.
