Les astronomes déterminent les origines d’un couple planétaire étrange

Jennifer Chu

À travers la Voie lactée, un couple planétaire étrange orbite autour d’une étoile située à quelque 190 années-lumière de la Terre. Un Jupiter chaud normalement « solitaire » partage l’espace avec un mini-Neptune, dans une paire rare et improbable qui intrigue les astronomes depuis la découverte du système en 2020.

Aujourd’hui, des scientifiques du MIT ont entrevu l’atmosphère du mini-Neptune, qui orbite à l’intérieur de l’orbite de son compagnon de la taille de Jupiter, et ont découvert des indices expliquant les origines de ce système planétaire inhabituel.

Dans une étude publiée dans Astrophysical Journal Letters, les scientifiques rapportent de nouvelles mesures de l’atmosphère du mini-Neptune, réalisées à l’aide du télescope spatial James Webb (JWST) de la NASA. C’est la première fois que des astronomes mesurent la composition d’un mini-Neptune situé à l’intérieur de l’orbite d’un Jupiter chaud.

Leurs mesures révèlent que la planète la plus petite possède une atmosphère « lourde » riche en vapeur d’eau, dioxyde de carbone, dioxyde de soufre et des traces de méthane. Une telle atmosphère lourde n’aurait pas été acquise par la planète si elle s’était formée à son emplacement actuel, très proche de son étoile.

Au contraire, les scientifiques affirment que leurs résultats indiquent une autre histoire d’origine : le mini-Neptune et le Jupiter chaud se seraient formés beaucoup plus loin, dans la région plus froide du disque protoplanétaire primitif du système. Là, les planètes auraient pu accumuler lentement des atmosphères de glace et d’autres substances volatiles. Au fil du temps, les planètes ont probablement été attirées vers l’étoile dans un processus progressif qui les a maintenues proches, avec leurs atmosphères intactes.

Les résultats de l’équipe sont les premiers à montrer que les mini-Neptunes peuvent se former au-delà de la « ligne des glaces » d’une étoile. Cette frontière désigne la distance minimale d’une étoile où la température est suffisamment basse pour que l’eau se condense instantanément en glace.

« C’est la première fois que nous observons l’atmosphère d’une planète située à l’intérieur de l’orbite d’un Jupiter chaud », dit Saugata Barat, postdoc à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT et auteur principal de l’étude. « Cette mesure nous indique que ce mini-Neptune s’est bien formé au-delà de la ligne des glaces, confirmant que ce canal de formation existe. »

L’équipe est composée d’astronomes du monde entier, dont Andrew Vanderburg, professeur assistant invité au MIT, et des co-auteurs de plusieurs autres institutions, notamment le Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics, l’University of South Queensland, l’University of Texas at Austin, et l’Université de Lund.

Un système « unique en son genre »

Comme leur nom l’indique, les mini-Neptunes sont des planètes moins massives que Neptune. Elles sont considérées comme des naines gazeuses, composées principalement de gaz, avec un noyau rocheux interne. Les mini-Neptunes sont les planètes les plus couramment trouvées dans la Voie lactée, mais il est intéressant de noter qu’aucun monde de ce type n’existe dans notre propre système solaire. Les astronomes ont observé de nombreuses planètes orbitant autour d’une grande variété d’étoiles dans divers systèmes planétaires. Les mini-Neptunes sont donc généralement considérées comme des planètes ordinaires.

Mais en 2020, Chelsea X. Huang, alors boursière postdoctorale Torres au MIT (maintenant membre du corps professoral de l’University of South Queensland), a découvert un mini-Neptune dans une circonstance rare et déroutante : la planète semblait orbiter autour de son étoile avec un compagnon improbable — un Jupiter chaud.

Les astronomes ont fait leur découverte en utilisant le satellite TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA. Ils ont analysé les mesures de TESS de TOI-1130, une étoile située à 190 années-lumière de la Terre, et ont détecté des signes d’un mini-Neptune et d’un Jupiter chaud, orbitant autour de l’étoile tous les quatre et huit jours respectivement.

« C’était un système unique en son genre », dit Huang. « Les Jupiters chauds sont ‘solitaire’, c’est-à-dire qu’ils n’ont pas de planètes compagnes à l’intérieur de leurs orbites. Ils sont si massifs et leur gravité est si forte que tout ce qui se trouve à l’intérieur de leur orbite est dispersé. Mais d’une manière ou d’une autre, avec ce Jupiter chaud, un compagnon intérieur a survécu. Cela soulève des questions sur la façon dont un tel système a pu se former. »

Un instantané précis

La découverte en 2020 de TOI-1130 et de sa paire planétaire étrange a inspiré Huang, Vanderburg et leurs collègues à examiner de plus près les planètes, et plus précisément leurs atmosphères, avec JWST. Dans sa nouvelle étude, l’équipe rapporte son analyse de TOI-1130b — le mini-Neptune en orbite intérieure.

Capter la planète au bon moment a été leur premier défi. La plupart des planètes orbitent autour de leur étoile avec une période régulière et prévisible, comme le tic d’une horloge. Mais on a découvert que le mini-Neptune et le Jupiter chaud étaient en « résonance de mouvement moyen », ce qui signifie que chacun peut affecter le mouvement de l’autre, en tirant et en tirant, et en variant légèrement le temps que chacun prend pour orbiter autour de leur étoile. Cela a rendu difficile la prédiction du moment où JWST pourrait avoir une vue dégagée.

L’équipe, dirigée par Judith Korth de l’Université de Lund, a rassemblé autant d’observations passées du système qu’elle le pouvait et a développé un modèle pour prédire quand chaque planète passerait devant l’étoile sous un angle que JWST pourrait observer.

« C’était une prédiction difficile, et nous devions être très précis », dit Barat.

Finalement, l’équipe a réussi à obtenir un instantané direct et détaillé des deux planètes.

« La beauté de JWST est qu’il n’observe pas seulement dans une seule couleur, mais à différentes couleurs, ou longueurs d’onde », explique Barat. « Et les longueurs d’onde spécifiques qu’une planète absorbe peuvent en dire long sur la composition de son atmosphère. »

À partir des mesures de JWST, l’équipe a constaté que la planète absorbait des longueurs d’onde spécifiques pour l’eau, le dioxyde de carbone, le dioxyde de soufre et, dans une moindre mesure, le méthane. Ces molécules sont plus lourdes que l’hydrogène et l’hélium, qui constituent des atmosphères plus légères. Les astronomes avaient supposé que si les mini-Neptunes se formaient très près de leur étoile, elles devraient avoir des atmosphères légères.

Mais les nouveaux résultats de l’équipe contredisent cette hypothèse et offrent une nouvelle façon dont les mini-Neptunes pourraient se former. Puisque des molécules plus lourdes ont été trouvées dans l’atmosphère de TOI-1130b, qui réside très près de son étoile, les scientifiques disent que la seule explication possible pour sa composition est que la planète s’est formée beaucoup plus loin que son emplacement actuel.

La planète a probablement accumulé son atmosphère lourde d’eau et d’autres substances volatiles telles que le dioxyde de carbone et le dioxyde de soufre dans la région glacée au-delà de la ligne des glaces de l’étoile. Dans cet environnement beaucoup plus froid, l’eau se condense sur des grains de poussière pour former des cailloux glacés, qu’une planète naissante peut attirer dans son atmosphère. L’eau s’évapore lorsqu’elle migre lentement plus près de son étoile.

Barat affirme que la détection par l’équipe de molécules lourdes dans l’atmosphère de TOI-1130b confirme que la planète — et probablement son compagnon Jupiter chaud — se sont formées à la périphérie du système. Grâce à une migration progressive, les deux planètes pourraient rester proches l’une de l’autre et conserver leurs atmosphères intactes.

« Ce système représente l’une des architectures les plus rares que les astronomes aient jamais trouvées », déclare Barat. « Les observations de TOI-1130b fournissent le premier indice que ces mini-Neptunes qui se forment au-delà de la ligne d’eau/glace sont bien présentes dans la nature. » 

Article : JWST unveils a high mean molecular weight atmosphere for mini-Neptune TOI-1130b: Evidence for formation beyond the water ice line” – Journal : The Astrophysical Journal Letters – DOI : Lien vers l’étude

Source : MIT