Pourquoi les planètes de type Tatooine sont-elles rares ? La relativité générale en cause

Robert Sanders

Parmi les plus de 4 500 étoiles connues pour avoir des planètes, une statistique déconcertante se démarque. Même si presque toutes les étoiles devraient avoir des planètes et que la plupart des étoiles se forment par paires, les planètes qui orbitent autour des deux étoiles d’une paire sont rares.

Sur les plus de 6 000 exoplanètes confirmées à ce jour – dont la plupart ont été découvertes par le télescope spatial Kepler de la NASA et le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) – seules 14 sont observées en orbite autour d’étoiles binaires. Il devrait y en avoir des centaines. Où sont toutes les planètes avec deux soleils, comme Tatooine dans Star Wars ?

Des astrophysiciens de l’Université de Californie à Berkeley et de l’Université américaine de Beyrouth proposent maintenant une explication à cette pénurie d’exoplanètes circumbinaires – et la théorie de la relativité générale d’Einstein en est responsable.

Dans la plupart des systèmes d’étoiles binaires, les étoiles ont des masses similaires mais non identiques et orbitent l’une autour de l’autre sur une orbite en forme d’œuf ou elliptique. Si une planète orbite autour de la paire d’étoiles, les tractions gravitationnelles des étoiles font précéder l’orbite de la planète, ce qui signifie que l’axe orbital tourne de manière similaire à la façon dont l’axe d’une toupie tourne ou précesse dans la gravité terrestre.

L’orbite des étoiles binaires précède également, mais principalement à cause de la relativité générale. Au fil du temps, les interactions de marée entre la paire binaire réduisent l’orbite, ce qui a deux effets : le taux de précession des étoiles augmente, mais le taux de précession de la planète ralentit. Lorsque les deux taux de précession correspondent, ou entrent en résonance, l’orbite de la planète s’allonge de façon spectaculaire, l’éloignant davantage de l’étoile mais aussi la rapprochant à son approche la plus proche.

« Deux choses peuvent se produire : soit la planète se rapproche très, très près du binaire, subissant une perturbation tidale ou étant engloutie par l’une des étoiles, soit son orbite est significativement perturbée par le binaire pour finalement être éjectée du système », tient à préciser Mohammad Farhat, chercheur postdoctoral Miller à l’UC Berkeley et premier auteur de l’article. « Dans les deux cas, vous vous débarrassez de la planète. »

Cela ne signifie pas que les étoiles binaires n’ont pas de planètes, a-t-il tempéré. Mais les seules qui survivent à ce processus sont trop éloignées des étoiles pour que nous puissions les détecter avec les techniques de transit utilisées par Kepler et TESS.

« Il y a sûrement des planètes là-bas. C’est juste qu’elles sont difficiles à détecter avec les instruments actuels », affirme le co-auteur Jihad Touma, professeur de physique à l’Université américaine de Beyrouth. Ils ont publié leurs résultats le 8 décembre dans The Astrophysical Journal Letters.

« Un désert absolu »

Les missions Kepler et TESS ont toutes deux recherché des exoplanètes en détectant un léger assombrissement d’une étoile lorsqu’une planète passait devant elle. Mais Kepler a également découvert environ 3 000 étoiles binaires à éclipses, alors que l’une des deux étoiles passait devant l’autre. Étant donné qu’environ 10 % des étoiles simples de type solaire possédaient des planètes massives, les astronomes s’attendaient à voir de grandes planètes autour d’environ 10 % des binaires également – soit environ 300 étoiles. Au lieu de cela, seules 47 candidates planètes autour d’étoiles binaires ont été trouvées, et seulement 14 ont été confirmées comme planètes circumbinaires transitantes.

Aucune de ces 14 exoplanètes n’orbite autour de binaires serrées tournant l’une autour de l’autre en moins d’environ sept jours.

« Vous avez une rareté de planètes circumbinaires en général et vous avez un désert absolu autour des binaires avec des périodes orbitales de sept jours ou moins », ajoute Farhat. « L’écrasante majorité des binaires à éclipses sont des binaires serrées et sont précisément les systèmes autour desquels nous nous attendons le plus à trouver des planètes circumbinaires transitantes. »

Farhat souligne que les binaires possèdent une zone d’instabilité autour d’elles dans laquelle aucune planète ne peut survivre. Dans cette zone, les interactions à trois corps entre les deux étoiles et la planète expulsent soit la planète du système, soit la rapprochent suffisamment pour fusionner avec ou être déchirée par les étoiles. Curieusement, 12 des 14 exoplanètes transitantes connues autour de binaires serrées se trouvent juste au-delà de la limite de la zone d’instabilité, où elles ont apparemment migré depuis plus loin, car les planètes auraient du mal à s’y former.

« Les planètes se forment de bas en haut, en collant ensemble de petits planétésimaux. Mais former une planète à la limite de la zone d’instabilité serait comme essayer de coller des flocons de neige ensemble dans un ouragan », précise-t-il.

Farhat avait précédemment collaboré avec Touma sur la formation et l’évolution des orbites planétaires dans divers systèmes stellaires, y compris le nôtre. Mais Touma s’intéressait également aux orbites des trous noirs binaires et des étoiles binaires. Il y a dix ans, il a réalisé que la relativité générale devrait modifier la façon dont les planètes se déplacent autour des systèmes à deux étoiles, mais il ne savait pas si l’effet était suffisamment fort pour être significatif. Après avoir approfondi l’étude des exoplanètes, il a cependant suggéré que les poussées et tractions subtiles de la relativité – combinées à la lente spirale rapprochée des étoiles – pourraient expliquer le mystère des planètes manquantes autour des binaires serrées.

En utilisant des modèles mathématiques et informatiques, Farhat et Touma ont découvert que la relativité générale avait un effet dramatique sur le destin des planètes circumbinaires, éliminant efficacement toutes les planètes proches. Sur la base de leurs calculs, les effets relativistes généraux perturberaient huit exoplanètes sur dix autour des binaires serrées, et parmi celles-ci, 75 % seraient détruites dans le processus.

La précession de l’orbite de Mercure

Proposée par Albert Einstein en 1915, la théorie de la relativité générale interprète la gravité comme une déformation de la structure de l’espace-temps par une masse, analogue à la façon dont une personne sur un trampoline déforme la surface et fait tomber d’autres objets sur le trampoline vers l’intérieur. L’orbite de Mercure se trouve être la plus proche de la déformation gravitationnelle du soleil et, par conséquent, subit une précession orbitale légèrement supérieure à celle prédite par la théorie antérieure de la gravité énoncée par Isaac Newton. L’explication relativiste générale de la précession supplémentaire de l’orbite de Mercure il y a plus d’un siècle a été la première confirmation de la théorie d’Einstein.

Le même effet entre en jeu lorsque deux objets se rapprochent, comme des étoiles binaires très proches. Les étoiles binaires commencent probablement leur vie éloignées, mais en interagissant avec le gaz environnant lors de la formation de leur système stellaire, il est prédit que de nombreuses paires se rapprocheront sur des dizaines de millions d’années. Lorsque cela se produit, elles génèrent des marées l’une dans l’autre qui, lentement, sur des milliards d’années, réduisent encore plus l’orbite. Finalement, lorsqu’elles se resserrent à des périodes d’environ une semaine ou moins, la précession relativiste générale devient de plus en plus importante. Cela fait précéder l’orbite, ce qui signifie que le point de plus proche approche, ou périastre, tourne également. À mesure que les étoiles se rapprochent, le taux de précession augmente.

Une exoplanète circumbinaire voit également son axe elliptique précéder, dans ce cas en raison de la traction gravitationnelle des deux étoiles – un processus strictement newtonien. Cependant, à mesure que les binaires se rapprochent, leur perturbation de la planète s’affaiblit progressivement et la précession ralentit.

À mesure que la précession orbitale des étoiles binaires augmente et que celle de l’exoplanète diminue, à un moment donné, elles correspondent et entrent dans un état de résonance. À ce stade, les calculs montrent que l’orbite de l’exoplanète commence à s’allonger, l’éloignant davantage du binaire au point extrême de son orbite mais la rapprochant au périastre. Lorsque le périastre entre dans la zone d’instabilité, l’exoplanète est soit exilée aux confins du système, soit s’approche trop près du binaire et est engloutie. Parce que cette perturbation se produit rapidement, prenant quelques dizaines de millions d’années dans la durée de vie plurimilliardaire d’une étoile, les exoplanètes autour des binaires serrées finissent par être très rares.

« Une planète prise dans la résonance voit son orbite se déformer vers des excentricités de plus en plus élevées, précessant de plus en plus vite tout en restant en phase avec l’orbite du binaire, qui se rétrécit », explique Touma. « Et en cours de route, elle rencontre cette zone d’instabilité autour des binaires, où les effets à trois corps entrent en jeu et nettoient gravitationnellement la zone. »

« Juste de la manière naturelle dont vous formez ces binaires serrées, ces binaires de moins de sept jours, vous vous débarrassez naturellement de la planète, sans invoquer de perturbation supplémentaire d’une étoile voisine ou d’autres mécanismes », affirme Farhat.

Selon Touma, les mêmes processus sont susceptibles de balayer plusieurs planètes hors des systèmes binaires – en particulier celles détectables par Kepler ou TESS.

Les chercheurs utilisent leurs modèles pour déterminer comment les effets relativistes généraux impactent les amas d’étoiles autour de paires de trous noirs supermassifs, et si, de manière plus spéculative, la relativité générale peut partiellement expliquer la pénurie de planètes autour des pulsars binaires – deux étoiles à neutrons en rotation en orbite l’une autour de l’autre et émettant des impulsions radio parfaitement synchronisées. Ce travail illustre le rôle majeur joué par la théorie révolutionnaire de la gravité d’Einstein, même dans des systèmes simples où les lois gravitationnelles de Newton étaient censées tout expliquer.

« Il est intéressant de noter que près d’un siècle après les calculs d’Einstein, des simulations informatiques ont montré comment les effets relativistes auraient pu sauver Mercure d’une diffusion chaotique hors du système solaire. Ici, nous voyons des effets connexes à l’œuvre perturbant les systèmes planétaires », souligne pour conclure Touma. « La relativité générale stabilise les systèmes d’une certaine manière et les perturbe d’une autre. »

Source : UC Berkeley