Astronomie

Exoplanètes super-bouffées

Exoplanètes super-bouffées

Les super-bouffées sont des planètes de la taille d'une géante gazeuse avec des masses seulement quelques masses terrestres.

Qu'est-ce qui fait que les planètes se forment avec une densité si faible et pourquoi sont-elles si rares ?


Les exoplanètes "super soufflées" sont comme de la barbe à papa cosmique

Concept d'artiste des trois planètes géantes “super-puff” en orbite autour de l'étoile Kepler-51. Image via NASA/ ESA/ L. Hustak/ J. Olmsted/ D. Player/ F. Summers (STScI)/ Hubblesite.

Les exoplanètes (les planètes en orbite autour d'étoiles lointaines) se présentent dans une grande variété de tailles, de masses et de compositions. La plupart des planètes trouvées jusqu'à présent ont au moins une certaine ressemblance avec les planètes de notre propre système solaire, qu'elles soient grandes et gazeuses ou plus petites et rocheuses. Les variations, jusqu'à présent en tout cas, ont été plus ou moins basées sur ces deux thèmes généraux. Mais un autre type de planète plus énigmatique et exotique a été découvert, qui ne ressemble à rien dans notre système solaire. Les astronomes les appellent “planètes super-bouffées” ou alors planètes barbe à papa. Ils sont plus légers (moins denses) que toutes les planètes vues auparavant.

Quelques-unes d'entre elles sont connues depuis 2014, mais les chercheurs ont maintenant pu examiner de plus près trois de ces planètes, en orbite autour de l'étoile solaire Kepler-51, qui est estimée à 2 600 années-lumière. Les découvertes intrigantes ont été faites et annoncées par des scientifiques travaillant avec le télescope spatial Hubble. Le nouvel article évalué par des pairs sera bientôt publié dans Le journal astronomique.

Ces mondes bizarres ont presque la taille de Jupiter, mais ils ne sont qu'un centième de leur masse.

Vue d'artiste des 3 planètes Kepler-51 connues, contrairement à certaines des planètes de notre propre système solaire. Image via NASA/ ESA/ STScI/ CU Boulder Today.

En termes simples, ces planètes sont étranges. Comme l'a déclaré l'astronome Jessica Libby-Roberts de l'Université du Colorado Boulder – qui a dirigé la nouvelle étude – :

L'astronome Zachory Berta-Thompson, également à l'UC Boulder et co-auteur de l'étude, a déclaré :

C'est un exemple extrême de ce qui est si cool avec les exoplanètes en général. Ils nous donnent l'occasion d'étudier des mondes très différents du nôtre, mais ils placent également les planètes de notre propre système solaire dans un contexte plus large.

Les trois planètes en orbite autour de Kepler-51 ont été découvertes pour la première fois en 2014, et moins de 15 planètes super-bouffées ou barbe à papa ont été trouvées au total jusqu'à présent. Selon Berta Thompson :

Leur découverte était carrément contraire à ce que nous enseignons dans les classes de premier cycle.

Barbe à papa dans l'espace - Est-ce que ces planètes ressemblent vraiment à ça ? Non, elles sont rondes comme les autres planètes. Mais leur composition extrêmement légère est analogue à la légèreté et au moelleux de la friandise de carnaval populaire du sucre filé. Image via CU Boulder aujourd'hui.

Les planètes super-bouffées ou barbe à papa se sont avérées avoir des densités beaucoup plus faibles que tout ce qui se trouve dans notre système solaire, moins de 0,1 gramme par centimètre cube de volume - presque identique à la barbe à papa, d'où le surnom. Même la Saturn légère, qui pourrait théoriquement flotter dans l'eau, est encore beaucoup plus dense que ces mondes. Comme Libby-Roberts l'a dit :

Nous savions qu'ils étaient de faible densité. Mais quand vous imaginez une boule de barbe à papa de la taille de Jupiter, c'est vraiment une faible densité.

Les chercheurs voulaient étudier les atmosphères des planètes. Mais au lieu d'avoir des atmosphères transparentes, les planètes se sont avérées être enveloppées d'une brume opaque ou de nuages. Libby-Roberts a dit :

Cela nous a définitivement poussés à trouver ce qui pourrait se passer ici. Nous nous attendions à trouver de l'eau, mais nous n'avons pu observer les signatures d'aucune molécule.

La planète géante gazeuse Saturne vue à l'équinoxe par la sonde Cassini. Sa densité est si faible qu'il pourrait, théoriquement, flotter dans l'eau. Mais les planètes super-bouffantes ont des densités encore plus faibles que cela. Image via NASA/ JPL/ Space Science Institute/ The Atlantic.

Les planètes semblent être composées principalement d'hydrogène et d'hélium, gaz légers, recouverts d'une épaisse couche de brume de méthane. Cela rendrait leurs atmosphères semblables à celle de la lune Titan de Saturne, qui est également entourée d'une épaisse brume de méthane. Libby-Roberts a ajouté :

Si vous frappez du méthane avec de la lumière ultraviolette, il formera une brume. C'est Titan en un mot.

Mais les chercheurs ont également remarqué autre chose à propos de ces planètes. Ils sont rapidement – cosmologiquement parlant, de toute façon – perdre de la matière dans l'espace. Cela signifie qu'ils peuvent ne pas conserver leurs caractéristiques de barbe à papa pendant plus d'un milliard d'années environ, car leur taille continue de diminuer. La planète la plus interne perd des milliards de tonnes de matière dans l'espace chaque seconde. Finalement, ces mondes peuvent ressembler davantage à des mini-Neptunes, ils peuvent donc simplement être dans une phase transitoire d'évolution planétaire. Libby-Roberts a dit :

Les gens ont vraiment du mal à comprendre pourquoi ce système est si différent de tous les autres systèmes. Nous essayons de montrer qu'en fait, cela ressemble à certains de ces autres systèmes.

Une bonne partie de leur étrangeté vient du fait que nous les voyons à un moment de leur développement où nous avons rarement eu la chance d'observer des planètes. Ce système offre un laboratoire unique pour tester les théories de l'évolution des premières planètes.

Jessica Libby-Roberts de l'Université du Colorado Boulder a dirigé la nouvelle étude. Image via l'Université du Colorado Boulder.

Les scientifiques veulent toujours déterminer les compositions atmosphériques réelles de ces planètes. Le prochain télescope spatial James Webb de la NASA pourrait être en mesure de le faire, car sa sensibilité aux longueurs d'onde de la lumière plus longues signifie qu'il pourrait éventuellement regarder à travers les couches nuageuses profondes. Jusque-là, ces planètes sont un mystère alléchant, fournissant de nouveaux indices sur la façon dont les planètes évoluent, même les planètes géantes similaires, mais pas aussi légères, dans notre propre système solaire.

Bottom line: De nouvelles observations d'exoplanètes "super-bouffées" par le télescope spatial Hubble ont fourni aux scientifiques plus d'indices sur ces mondes énigmatiques et étranges.


L'exoplanète "Super puff" est aussi grosse que Jupiter mais 10 fois plus légère, déroutant les astronomes

À environ 212 années-lumière de la Terre, une géante gazeuse suffisamment légère pour être surnommée une planète « super-bouffée » ou « barbe à papa » tourne extrêmement près de son étoile hôte. L'exoplanète est si légère qu'elle a laissé les astronomes remettre en question tout ce que nous savions auparavant sur la formation des géantes gazeuses.

Cette exoplanète super-bouffée, connue sous le nom de WASP-107b, a à peu près la même taille que Jupiter, mais seulement environ un dixième de sa masse, soit environ 30 fois plus massive que la Terre. Selon une nouvelle étude publiée lundi dans The Astronomical Journal, sa masse centrale est nettement inférieure à ce que les astronomes pensaient nécessaire pour la création d'une planète géante gazeuse comme Jupiter et Saturne.

La découverte, faite par Ph.D. L'étudiante Caroline Piaulet sous la direction du professeur Björn Benneke à l'Université de Montréal, indique que les géantes gazeuses se forment beaucoup plus facilement qu'on ne le croyait auparavant.

“Cette étude repousse les limites de notre compréhension théorique de la formation des planètes géantes. WASP-107b est l'une des planètes les plus gonflées du monde, et nous avons besoin d'une solution créative pour expliquer comment ces minuscules noyaux peuvent construire des enveloppes de gaz aussi massives », a déclaré la co-auteure Eve Lee dans un communiqué.

WASP-107b n'est pas une toute nouvelle découverte - les astronomes l'ont détectée pour la première fois dans la constellation de la Vierge en 2017. La planète est très proche de son étoile, plus de 16 fois plus proche que la Terre ne l'est du soleil, effectuant une orbite tous les 5,7 jours.

WASP-107b est l'une des exoplanètes les moins denses que les scientifiques aient jamais trouvées. Ils ont surnommé des types similaires de planètes – des géantes gazeuses avec la densité de la barbe à papa – des super-bouffées.

Pour trouver la masse surprenante de la planète, les astronomes ont étudié les observations obtenues à l'observatoire Keck à Hawaï. Ils ont utilisé une technique appelée méthode de la vitesse radiale, qui étudie le mouvement d'oscillation d'une étoile planétaire causé par l'attraction gravitationnelle d'une planète, afin de calculer la masse.

Les scientifiques ont été choqués de conclure que le noyau solide de WASP-107b a une masse qui n'est pas plus de quatre fois celle de la Terre, ce qui signifie que plus de 85% de sa masse provient de l'épaisse couche gazeuse entourant le noyau. Il s'agit d'une décomposition radicalement différente de celle de Neptune, qui a une masse similaire mais n'en contient que 5 à 15 % dans sa couche de gaz.

Sur la base de leur connaissance de Jupiter et de Saturne, les scientifiques pensaient auparavant qu'un noyau solide d'au moins 10 fois la masse de la Terre serait nécessaire pour acquérir suffisamment de gaz pour qu'une planète géante gazeuse se forme. WASP-107b remet en cause cette théorie.

"Ce travail aborde les fondements mêmes de la formation et de la croissance des planètes géantes", a déclaré Benneke. « Il fournit la preuve concrète que l'accrétion massive d'une enveloppe de gaz peut être déclenchée pour des cœurs beaucoup moins massifs qu'on ne le pensait auparavant. »

Lee postule que « le scénario le plus plausible est que la planète s'est formée loin de l'étoile, où le gaz dans le disque est suffisamment froid pour que l'accrétion de gaz puisse se produire très rapidement. La planète a ensuite pu migrer vers sa position actuelle, soit par le biais d'interactions avec le disque, soit avec d'autres planètes du système.”

En étudiant la planète, l'équipe est tombée sur un autre dans le même système, WASP-107c. Il a une masse qui est environ un tiers de celle de Jupiter et met trois ans pour orbiter une fois son étoile hôte.

L'orbite de forme ovale de la planète suggère que la nouvelle hypothèse des astronomes est sur la bonne voie.

"WASP-107c a, à certains égards, gardé la mémoire de ce qui s'est passé dans son système", a déclaré Piaulet. “Sa grande excentricité laisse présager un passé assez chaotique, avec des interactions entre les planètes qui auraient pu entraîner des déplacements importants, comme celui suspecté pour WASP-107b.”

L'équipe espère continuer à étudier l'étrange planète avec le lancement du télescope spatial James Webb cette année.

Image de bannière : Représentation artistique de l'exoplanète WASP-107b et de son étoile, WASP-107. Une partie de la lumière des étoiles traverse la couche de gaz étendue de l'exoplanète. ESA/HUBBLE, NASA, M. KORNMESSER


Des exoplanètes « super-bouffées » lui ont mis un anneau

L'apparente « boursouflure » ​​de certaines exoplanètes pourrait être due à des anneaux semblables à ceux de Saturne, plutôt qu'à des enveloppes de gaz comme on le pensait auparavant. C'est l'avis des astronomes Anthony Piro de la Carnegie Institution for Science et Shreyas Vissapragada du California Institute of Technology, aux États-Unis, qui sont arrivés à cette conclusion après avoir simulé les transits de plusieurs exoplanètes « super-bouffées ». Leur analyse expose deux de ces exoplanètes comme des candidats probables pour avoir des anneaux – une découverte qui pourrait être confirmée après le lancement prochain du télescope spatial James Webb (JWST).

Au fur et à mesure que la liste des exoplanètes connues s'allonge, les astronomes identifient un nombre croissant de corps qui semblent avoir des rayons remarquablement grands, compte tenu de leurs masses relativement faibles. Surnommées « super-bouffées », ces planètes apparemment à ultra-basse densité sont généralement anormalement froides et se trouvent dans des systèmes stellaires d'âges très variés – ce qui signifie que la plupart d'entre elles ne sont probablement pas que de jeunes planètes qui ne se sont pas encore complètement formées .

Pour expliquer ces objets énigmatiques, certains astronomes ont proposé qu'ils soient entourés d'épaisses enveloppes de gaz. Si tel était le cas, on pourrait s'attendre à ce que ces enveloppes laissent des creux d'absorption divers dans les spectres de lumière stellaire les traversant. Cependant, les spectres de super-bouffées observés jusqu'à présent ont été désespérément sans caractéristiques.

Pas si gonflé

Piro et Vissaptragada proposent une explication différente. À leur avis, les super-bouffées ne sont pas vraiment gonflées, mais sont plutôt entourées d'anneaux. Ces anneaux atténuent la lumière des étoiles hôtes des planètes lorsqu'elles passent entre l'étoile et les observateurs sur Terre, créant l'illusion d'exoplanètes avec des rayons beaucoup plus grands. Ils ont testé cette théorie en simulant des observations de Saturne transitant par le Soleil, du point de vue d'un système stellaire distant. Cela a révélé que Saturne semblerait être deux fois moins dense qu'elle ne l'est en réalité si ses anneaux n'étaient pas pris en compte.

Le duo a également simulé les transits d'une variété de super-bouffées connues, dans le but de déterminer si les observations de transit auraient pu être déformées par des anneaux. Ils ont constaté que leur hypothèse était cohérente avec les transits de certaines exoplanètes, mais pas de toutes : étant donné leur proximité avec leurs étoiles hôtes, de nombreux corps auraient besoin d'anneaux rocheux plus lourds au lieu de glace, ce qui limiterait les anneaux. rayons. De plus, les planètes devraient tourner assez vite pour empêcher la déformation de leurs anneaux, mais cela est souvent entravé par le verrouillage des marées avec les étoiles hôtes.

Ces effets n'excluaient pas toutes les planètes envisagées par le duo. Parmi les exoplanètes qu'ils ont analysées, Piro et Vissaptragada ont conclu que Kepler 87c et 177c ont les meilleures chances d'apparaître gonflées à cause des anneaux. Confirmer cela nécessitera des techniques photométriques plus précises que celles actuellement disponibles, mais ces mesures améliorées devraient être à la portée du très attendu JWST, dont le lancement est désormais prévu en mars 2021. Si de telles prédictions sont confirmées, elles pourraient grandement améliorer les astronomes. comprendre comment les systèmes planétaires se forment et évoluent.


Les preuves suggèrent que certaines super-bouffées pourraient être des exoplanètes annelées

Le transit d'une planète aux anneaux et les courbes lumineuses qui en résultent. Le panneau supérieur montre un exemple des images considérées pour les calculs de transit avec la planète à sept positions différentes. Le panneau du milieu montre le transit résultant (normalisé au flux stellaire) avec les points correspondant à chacune des positions des planètes indiquées dans le panneau supérieur. Le bas montre la différence entre un transit annelé et une étoile nue de même surface. Crédits : arXiv : 1911.09673

Une paire de chercheurs des observatoires de la Carnegie Institution for Science et du California Institute of Technology ont rapporté des preuves que certaines exoplanètes super-bouffantes pourraient être des exoplanètes annelées. Anthony Piro et Shreyas Vissapragada ont rédigé un article décrivant leur théorie et les preuves à l'appui et l'ont publié sur le serveur de préimpression arXiv.

Comme le notent Piro et Vissapragada, les scientifiques de l'espace ont trouvé une multitude d'exoplanètes ces dernières années avec un large éventail d'attributs. Un de ces groupes est appelé "super-bouffées", car ils ont de très grands rayons pour leurs masses, et donc de très faibles densités. De telles exoplanètes semblent avoir des atmosphères exceptionnellement étendues sans explication. Ce que les scientifiques trouvent étrange à leur sujet, c'est qu'ils ne semblent pas sensibles à la photo-évaporation. Piro et Vissapragada suggèrent que c'est parce qu'ils n'ont pas du tout d'atmosphères étendues, à la place, ils ont des anneaux comme Saturne.

Les chercheurs rapportent qu'ils sont arrivés à leur théorie en considérant à quoi ressemblerait Saturne pour les scientifiques de l'espace d'un monde lointain s'ils ne connaissaient pas les anneaux. densité vraie. Cela les a amenés à se demander si certaines exoplanètes découvertes, telles que les super-bouffées, pourraient avoir mal calculé les densités en raison des anneaux orbitaux.

Les chercheurs ont commencé par considérer les attributs possibles d'une exoplanète avec des anneaux. Ils ont noté que les exoplanètes proches de leur étoile auraient des anneaux rocheux, car la glace fondrait. En outre, certaines des exoplanètes ne seraient pas en mesure de former des anneaux suffisamment larges pour modifier les estimations de densité en raison des roches éloignées susceptibles de s'agglomérer, formant des lunes. Ensuite, ils ont utilisé leurs hypothèses pour créer des simulations qui montraient à quoi pourraient ressembler les planètes aux anneaux lorsqu'elles traversaient leur étoile. Ils rapportent que leurs simulations ont montré que certaines des super-bouffées pourraient être des exoplanètes baguées. Ils suggèrent que de nouvelles données du télescope spatial James Webb, dont le lancement est prévu en 2012, pourraient confirmer leur théorie.


Les exoplanètes "super-gonflées" ne ressemblent à rien de ce que nous avons dans le système solaire

L'étude des planètes extrasolaires a vraiment explosé ces dernières années. Actuellement, les astronomes ont pu confirmer l'existence de 4 104 planètes au-delà de notre système solaire, et 4 900 autres en attente de confirmation. L'étude de ces nombreuses planètes a révélé des choses sur l'éventail des planètes possibles dans notre Univers et nous a appris qu'il y en a beaucoup pour lesquelles il n'y a pas d'analogues dans notre système solaire.

Par exemple, grâce aux nouvelles données obtenues par le Le télescope spatial Hubble, les astronomes en ont appris davantage sur une nouvelle classe d'exoplanètes connue sous le nom de planètes « super-bouffées ». Les planètes de cette classe sont essentiellement de jeunes géantes gazeuses dont la taille est comparable à celle de Jupiter, mais dont la masse est quelques fois supérieure à celle de la Terre. Il en résulte que leurs atmosphères ont la densité de la barbe à papa, d'où le délicieux surnom !

Les seuls exemples connus de cette planète résident dans le système Kepler 51, une jeune étoile semblable au Soleil située à environ 2 615 années-lumière dans la constellation du Cygne. Dans ce système, trois exoplanètes ont été confirmées (Kepler-51 b, c et d) qui ont été détectées pour la première fois par le Télescope spatial Kepler en 2012. Cependant, ce n'est qu'en 2014 que les densités de ces planètes ont été confirmées, et cela a été une surprise.

Les trois planètes géantes en orbite autour de l'étoile semblable au Soleil Kepler 51 par rapport à certaines des planètes de notre système solaire. Crédits : NASA, ESA, et L. Hustak et J. Olmsted (STScI)

Bien que ces géantes gazeuses aient des atmosphères composées d'hydrogène et d'hélium et soient à peu près de la même taille que Jupiter, elles sont également environ cent fois plus légères en termes de masse. Comment et pourquoi leurs atmosphères gonfleraient comme elles le font reste un mystère, mais le fait demeure que la nature de leurs atmosphères fait des planètes super-bouffées un candidat de choix pour l'analyse atmosphérique.

C'est précisément ce qu'une équipe internationale d'astronomes dirigée par Jessica Libby-Roberts du Center for Astrophysics and Space Astronomy (CASA) de l'Université du Colorado à Boulder a cherché à faire. En utilisant les données de Hubble, Libby-Roberts et son équipe ont analysé les spectres obtenus à partir des atmosphères de Kepler-51 b et d pour voir quels composants (y compris l'eau) s'y trouvaient.

Lorsque ces planètes passaient devant leur étoile, la lumière absorbée par leurs atmosphères était examinée dans la longueur d'onde infrarouge. À la surprise de l'équipe, ils ont découvert que les spectres des deux planètes n'avaient aucune signature chimique révélatrice. Ils attribuaient cela à la présence de nuages ​​de cristaux de sel ou de brumes photochimiques dans leurs atmosphères.

En tant que telle, l'équipe s'est appuyée sur des simulations informatiques et d'autres outils pour théoriser que les planètes Kepler-51 sont principalement constituées d'hydrogène et d'hélium en masse, qui est recouverte d'une épaisse brume composée de méthane. Ceci est similaire à ce qui se passe dans l'atmosphère de Titan (la plus grande lune de Saturne), où l'atmosphère à prédominance d'azote contient des nuages ​​​​de gaz méthane qui obscurcissent la surface.

Illustration d'artiste de la nouvelle planète géante gazeuse GJ 3512b, qui entoure une étoile naine rouge. Crédit : Guillem Anglada-Escude—IEEC/Science-wave, en utilisant SpaceEngine.org (CC BY 4.0)

« C'était complètement inattendu », a déclaré Libby-Roberts. « Nous avions prévu d'observer de grandes caractéristiques d'absorption d'eau, mais elles n'étaient tout simplement pas là. Nous étions assombris ! Cependant, ces nuages ​​ont fourni à l'équipe des informations précieuses sur la façon dont Kepler-51 b et d se comparent à d'autres exoplanètes de faible masse et riches en gaz observées par les astronomes. Comme Libby-Roberts l'a expliqué dans un communiqué de presse de CU Boulder :

« Nous savions qu'ils étaient de faible densité. Mais quand vous imaginez une boule de barbe à papa de la taille de Jupiter – qui est vraiment de faible densité… Cela nous a définitivement poussés à trouver ce qui pourrait se passer ici. Nous nous attendions à trouver de l'eau, mais nous n'avons pu observer les signatures d'aucune molécule. »

L'équipe a également pu mieux contraindre la taille et la masse de ces planètes en mesurant leurs effets de synchronisation. Dans tous les systèmes, de légers changements se produisent dans la période orbitale d'une planète en raison de leur attraction gravitationnelle, qui peut être utilisée pour dériver la masse d'une planète. Les résultats de l'équipe étaient en accord avec les estimations précédentes pour Kepler-51 b, tandis que les estimations pour Kepler-51 d indiquaient qu'il était légèrement moins massif (alias plus gonflé) qu'on ne le pensait auparavant.

L'équipe a également comparé les spectres des deux super-bouffées à ceux d'autres planètes et a obtenu des résultats indiquant que la formation de nuages/brume est liée à la température d'une planète. Cela soutient l'hypothèse selon laquelle plus une planète est froide, plus elle sera nuageuse, ce que les astronomes ont réfléchi grâce à la récente vague de découvertes d'exoplanètes.

Les mini planètes neptuniennes ont une taille d'environ 1,5 à 4 fois la taille de la Terre et ont un noyau rocheux et une enveloppe gazeuse gonflée d'épaisseur variable. Crédit : Geoff Marcy

Enfin, l'équipe a observé que Kepler-51 b et d semblaient perdre du gaz rapidement. En fait, l'équipe estime que l'ancienne planète (qui est la plus proche de son étoile mère) déverse des dizaines de milliards de tonnes de matière dans l'espace chaque seconde. Si cette tendance se poursuit, les planètes vont rétrécir considérablement au cours des prochains milliards d'années et pourraient devenir des mini-Neptunes.

À cet égard, cela suggérerait que les exoplanètes ne sont finalement pas si rares, étant donné que les mini-Neptunes semblent être très courantes. Cela suggère également que les faibles densités des planètes super-bouffantes sont attribuées à l'âge du système. Alors que le système solaire a environ 4,6 milliards d'années, Kepler-51 n'existe que depuis 500 millions d'années.

Les modèles planétaires utilisés par l'équipe indiquent que les planètes se sont probablement formées au-delà de la ligne de gel de Kepler-51, la limite au-delà de laquelle les éléments volatils gèlent, puis ont migré vers l'intérieur. Plutôt que d'être des planètes étranges, Kepler-51 b et d sont peut-être les premiers exemples que les astronomes ont vus de l'un des types de planètes les plus courants de notre Univers aux premiers stades de développement.

Comme l'a expliqué Zach Berta-Thompson (professeur adjoint de l'APS et co-auteur de la nouvelle recherche), cela fait de Kepler-51 un "laboratoire unique" pour tester les théories de l'évolution des premières planètes :

« C'est un exemple extrême de ce qui est si cool avec les exoplanètes en général. Ils nous donnent l'occasion d'étudier des mondes très différents du nôtre, mais ils placent également les planètes de notre propre système solaire dans un contexte plus large.

Illustration du télescope spatial James Webb de la NASA. Crédits : NASA

À l'avenir, le déploiement d'instruments de nouvelle génération comme le Télescope spatial James Webb (JWST) aidera les astronomes à examiner l'atmosphère des planètes Kepler-51 et d'autres super-bouffées. Grâce à la sensibilité du JWST aux longueurs d'onde infrarouges plus longues, nous pourrons peut-être encore regarder à travers leurs nuages ​​denses et déterminer de quoi sont réellement composées ces planètes de la barbe à papa.

C'est aussi une autre plume au chapeau du vénéré Hubble, qui fonctionne en continu depuis une trentaine d'années maintenant (depuis mai 1990) et continue de faire la lumière sur les mystères cosmiques ! Il est normal qu'il fasse encore des découvertes qui feront très prochainement l'objet d'enquêtes de suivi par James Webb, son successeur spirituel.

L'étude qui détaille les recherches de l'équipe est récemment apparue en ligne et apparaîtra dans Le Journal d'Astrophysique.


La mystérieuse formation de WASP-107b

À l'aide des données de Keck, l'équipe a effectué une analyse pour identifier quelle pourrait être la structure interne de la planète. Ils sont arrivés à la conclusion étonnante qu'il doit y avoir un noyau solide qui ne fait pas plus de quatre fois la masse de la Terre. Cela signifie que plus de 80% de sa masse provient de sa couche dense de gaz. Pour mettre cela en perspective, Neptune, un analogue du système solaire en termes de masse, ne tire que 10 % de sa masse de sa couche de gaz environnante !

Observatoire W. M. Keck à Hawaï - Crédit d'image: Warren Metcalf / HDR tune par Universal-Sci

Le fait que WASP-107b soit si incroyablement léger soulève naturellement des questions supplémentaires. Comment est-il possible qu'une exoplanète aussi basse se soit formée ? Et pourquoi ne perd-il pas son énorme couche de gaz étant donné la proximité de son étoile hôte ? Les modèles contemporains de formation des géantes gazeuses sont fondés sur les géantes gazeuses familières trouvées dans notre propre système solaire comme Saturne. L'hypothèse est qu'un noyau d'au moins dix fois la masse de la Terre est nécessaire pour collecter suffisamment de gaz du premier disque formant une planète entourant une étoile.

Le professeur Eve Lee, une autorité renommée sur les exoplanètes super-bouffées, a déclaré dans une interview qu'il existe plusieurs hypothèses, dont la plus plausible est que l'exoplanète a commencé sa vie plus loin de son étoile hôte. Selon Lee, le gaz dans un disque formant une planète est suffisamment froid pour que l'accumulation de gaz puisse se produire beaucoup plus rapidement à des distances plus considérables. WASP-107b aurait migré vers le centre de son système stellaire à un moment ultérieur, probablement à la suite d'interactions avec d'autres planètes ou avec le disque lui-même formant la planète.


Découverte d'exoplanètes « super-bouffées » avec la densité de la barbe à papa

Les astronomes ont découvert un certain nombre d'exoplanètes « super-bouffées » dans le système stellaire Kepler 51 qui sont aussi denses que de la barbe à papa.

En utilisant les données du télescope spatial Hubble, les chercheurs ont trouvé moins de 15 des planètes qui sont presque aussi grosses que Jupiter, mais ont une densité extrêmement faible, à moins de 100 fois la masse de la géante gazeuse ou moins de 0,1 gramme par centimètre cube de volume.

"Ils sont très bizarres", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Jessica Libby-Roberts, dans un communiqué.

Représentation d'un artiste du système d'étoiles Kepler 51. (Crédit : NASA/ESA/STScI)

"C'est un exemple extrême de ce qui est si cool avec les exoplanètes en général", a déclaré Zachory Berta-Thompson, l'un des co-auteurs de l'étude. "Ils nous donnent l'occasion d'étudier des mondes très différents du nôtre, mais ils placent également les planètes de notre propre système solaire dans un contexte plus large."

Les trois exoplanètes "super soufflées" du système Kepler 51 étaient "tout à fait contraires à ce que nous enseignons dans les classes de premier cycle", a ajouté Berta-Thompson.

Le système Kepler 51 est situé à environ 2 400 années-lumière de la Terre et a environ 500 millions d'années. Une année-lumière, qui mesure la distance dans l'espace, équivaut à 6 000 milliards de milles.

En utilisant Hubble, les chercheurs ont également tenté d'examiner les atmosphères des planètes, mais se sont heurtés à des problèmes, car les atmosphères étaient opaques plutôt que transparentes.

"Cela nous a définitivement poussés à trouver ce qui pourrait se passer ici", a poursuivi Libby-Roberts. "Nous nous attendions à trouver de l'eau, mais nous n'avons pu observer les signatures d'aucune molécule."

Les trois planètes de Kepler 51 par rapport à la taille des planètes de notre système solaire. (Crédit : NASA/ESA/STScI)

Libby-Roberts et les autres chercheurs ont émis l'hypothèse que les exoplanètes sont probablement principalement composées d'hydrogène et d'hélium, en utilisant des simulations informatiques. Il est également probable qu'il soit recouvert d'une "épaisse brume composée de méthane", ce qui leur rappelle la lune de Saturne, Titan.

"Si vous frappez du méthane avec de la lumière ultraviolette, cela formera une brume", a déclaré Libby-Roberts. "C'est Titan en un mot." En juin, la NASA a dévoilé une mission qui explorera Titan, qui pourrait potentiellement héberger une vie extraterrestre.

Les chercheurs ont également découvert que les exoplanètes perdent rapidement du gaz, la plus interne des trois exoplanètes mettant environ "des dizaines de milliards de tonnes de matière dans l'espace chaque seconde". Si cette tendance se poursuit, ces planètes pourraient rétrécir considérablement au cours du prochain milliard d'années et pourraient ressembler à des exoplanètes "mini-Neptune".

"Les gens ont vraiment du mal à comprendre pourquoi ce système est si différent de tous les autres systèmes", a déclaré Libby-Roberts. "Nous essayons de montrer qu'en fait, cela ressemble à certains de ces autres systèmes."

"Une bonne partie de leur étrangeté vient du fait que nous les voyons à un moment de leur développement où nous avons rarement eu la chance d'observer des planètes", a déclaré Berta-Thompson.

La recherche, qui devrait être publiée dans The Astronomical Journal, peut être lue ici.


Une planète « super-bouffée » pas comme les autres

La masse centrale de l'exoplanète géante WASP-107b est bien inférieure à ce que l'on pensait nécessaire pour construire l'immense enveloppe de gaz entourant les planètes géantes comme Jupiter et Saturne, ont découvert des astronomes de l'Université de Montréal.

Cette découverte intrigante de Ph.D. L'étudiante Caroline Piaulet de l'Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx) de l'UdeM suggère que les planètes géantes gazeuses se forment beaucoup plus facilement qu'on ne le croyait auparavant.

Piaulet fait partie de l'équipe de recherche révolutionnaire du professeur d'astrophysique de l'UdeM Björn Benneke qui a annoncé en 2019 la première détection d'eau sur une exoplanète située dans la zone habitable de son étoile.

Publié aujourd'hui dans le Journal astronomique avec des collègues au Canada, aux États-Unis, en Allemagne et au Japon, la nouvelle analyse de la structure interne de WASP-107b "a de grandes implications", a déclaré Benneke.

"Ce travail aborde les fondements mêmes de la formation et de la croissance des planètes géantes", a-t-il déclaré. "Cela fournit la preuve concrète que l'accrétion massive d'une enveloppe de gaz peut être déclenchée pour des noyaux beaucoup moins massifs qu'on ne le pensait auparavant."

Aussi gros que Jupiter mais 10 fois plus léger

WASP-107b a été détecté pour la première fois en 2017 autour de WASP-107, une étoile située à environ 212 années-lumière de la Terre dans la constellation de la Vierge. La planète est très proche de son étoile - plus de 16 fois plus proche que la Terre ne l'est du Soleil. Aussi grosse que Jupiter mais 10 fois plus légère, WASP-107b est l'une des exoplanètes les moins denses connues : un type que les astrophysiciens ont surnommé les planètes « super-bouffées » ou « barbe à papa ».

Piaulet et son équipe ont d'abord utilisé les observations de WASP-107b obtenues à l'observatoire Keck à Hawai'i pour évaluer sa masse avec plus de précision. Ils ont utilisé la méthode de la vitesse radiale, qui permet aux scientifiques de déterminer la masse d'une planète en observant le mouvement d'oscillation de son étoile hôte en raison de l'attraction gravitationnelle de la planète. Ils ont conclu que la masse de WASP-107b est d'environ un dixième de celle de Jupiter, soit environ 30 fois celle de la Terre.

L'équipe a ensuite effectué une analyse pour déterminer la structure interne la plus probable de la planète. Ils sont arrivés à une conclusion surprenante : avec une densité aussi faible, la planète doit avoir un noyau solide ne dépassant pas quatre fois la masse de la Terre. Cela signifie que plus de 85 % de sa masse est inclus dans l'épaisse couche de gaz qui entoure ce noyau. Par comparaison, Neptune, qui a une masse similaire à WASP-107b, n'a que 5 à 15 pour cent de sa masse totale dans sa couche de gaz.

"Nous avions beaucoup de questions sur le WASP-107b", a déclaré Piaulet. « Comment une planète d'une densité aussi faible a-t-elle pu se former ? Et comment a-t-elle empêché son énorme couche de gaz de s'échapper, surtout compte tenu de la proximité de la planète avec son étoile ?

"Cela nous a motivés à faire une analyse approfondie pour déterminer son histoire de formation."

Une géante gazeuse en devenir

Planets form in the disc of dust and gas that surrounds a young star called a protoplanetary disc. Classical models of gas-giant planet formation are based on Jupiter and Saturn. In these, a solid core at least 10 times more massive than the Earth is needed to accumulate a large amount of gas before the disc dissipates.

Without a massive core, gas-giant planets were not thought able to cross the critical threshold necessary to build up and retain their large gas envelopes.

How then do explain the existence of WASP-107b, which has a much less massive core? McGill University professor and iREx member Eve Lee, a world-renowned expert on super-puff planets like WASP-107b, has several hypotheses.

"For WASP-107b, the most plausible scenario is that the planet formed far away from the star, where the gas in the disc is cold enough that gas accretion can occur very quickly," she said. "The planet was later able to migrate to its current position, either through interactions with the disc or with other planets in the system."

Discovery of a second planet, WASP-107c

The Keck observations of the WASP-107 system cover a much longer period of time than previous studies have, allowing the UdeM-led research team to make an additional discovery: the existence of a second planet, WASP-107c, with a mass of about one-third that of Jupiter, considerably more than WASP-107b's.

WASP-107c is also much farther from the central star it takes three years to complete one orbit around it, compared to only 5.7 days for WASP-107b. Also interesting: the eccentricity of this second planet is high, meaning its trajectory around its star is more oval than circular.

"WASP-107c has in some respects kept the memory of what happened in its system," said Piaulet. "Its great eccentricity hints at a rather chaotic past, with interactions between the planets which could have led to significant displacements, like the one suspected for WASP-107b."

Beyond its formation history, there are still many mysteries surrounding WASP-107b. Studies of the planet's atmosphere with the Hubble Space Telescope published in 2018 revealed one surprise: it contains very little methane.

"That's strange, because for this type of planet, methane should be abundant," said Piaulet. "We're now reanalysing Hubble's observations with the new mass of the planet to see how it will affect the results, and to examine what mechanisms might explain the destruction of methane."

The young researcher plans to continue studying WASP-107b, hopefully with the James Webb Space Telescope set to launch in 2021, which will provide a much more precise idea of the composition of the planet's atmosphere.

"Exoplanets like WASP-107b that have no analogue in our Solar System allow us to better understand the mechanisms of planet formation in general and the resulting variety of exoplanets," she said. "It motivates us to study them in great detail."

"WASP-107b's density is even lower: a case study for the physics of gas envelope accretion and orbital migration," by Caroline Piaulet et al., was posted today in the Journal astronomique. DOI: 10.3847/1538-3881/abcd3c. In addition to Piaulet (iREx Ph.D. student, Université de Montréal) and professors Björn Benneke (iREx, Université de Montréal) and Eve Lee (iREx, McGill Space Institute, McGill University), the research team includes Daniel Thorngren (iREx Postdoctoral Fellow, Université de Montréal) and Merrin Peterson (iREx M.Sc student), and 19 other co-authors from Canada, the United States, Germany and Japan.

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Astronomers Probe Mysteries of ‘Super Puff’ Planet

(CN) — Scientists exploring space revealed Monday that gas-giant planets such as Jupiter and Saturn form more easily than previously thought.

Researchers at the Université de Montréal found that the core mass of WASP-107b, a giant exoplanet, is much lower than scientists thought necessary to create the immense gas envelope surrounding it and other super-sized planets.

Discovered by Ph.D. student Caroline Piaulet of UdeM’s Institute for Research on Exoplanets, the finding, published in the Astronomical Journal, is based on new analysis of WASP-107b’s internal structure.

Piaulet is part of the research team led by UdeM astrophysics professor Björn Benneke that detected water on an exoplanet located in its star’s habitable zone in 2019.

“This work addresses the very foundations of how giant planets can form and grow,” Benneke said. “It provides concrete proof that massive accretion of a gas envelope can be triggered for cores that are much less massive than previously thought.”

Known as a “super-puff” planet to astrophysicists, WASP-107b is an exoplanet that was first detected in 2017 around WASP-107, a star more than 200 light years from Earth. The planet, which is as big as Jupiter but 10 times lighter, exists near its star at a distance that is 16 times closer than the Earth is to the Sun.

Conducting their work at the Keck Observatory in Hawaii, Piaulet and her team first assessed the mass of WASP-107b using the radial velocity method, which determines a planet’s mass by measuring the wobble of its host star due to the planet’s gravitational pull. Researchers concluded that the mass of WASP-107b is about one-tenth that of Jupiter, or about 30 times that of Earth.

Next, Piaulet and her colleagues determined that WASP-107b’s internal structure must have a solid core of no more than four times the mass of Earth, making about 85% of the planet’s mass included in the thick layer of gas that surrounds this core. By comparison, Neptune has a similar mass to WASP-107b but no more than 15% of its total mass resides in its gas layer.

“We had a lot of questions about WASP-107b,” Piaulet said. “How could a planet of such low density form? And how did it keep its huge layer of gas from escaping, especially given the planet’s close proximity to its star?”

Such questions motivated researchers to analyze WASP-107b’s formation history.

Planets form in the layer of dust and gas surrounding a young star. Historical models of gas-giant planet formation are based on Jupiter and Saturn, where a solid core massive enough to dwarf Earth is needed to build up enough gas before the disc dissipates.

Without a massive core, scientists assumed that gas-giant planets could not create and retain their large gas envelopes. Until Piaulet’s discovery about WASP-107b, that is.

“For WASP-107b, the most plausible scenario is that the planet formed far away from the star, where the gas in the disc is cold enough that gas accretion can occur very quickly,” said fellow researcher Eve Lee of McGill University. “The planet was later able to migrate to its current position, either through interactions with the disc or with other planets in the system.”

The research team also included Daniel Thorngren and Merrin Peterson, as well as 19 other co-authors from Canada, the United States, Germany and Japan.

Mysteries still surround WASP-107b, inspiring Piaulet to continue studying the planet. Future analysis could involve the soon-to-launch James Webb Space Telescope, providing a more precise idea of the planet’s atmosphere.

“Exoplanets like WASP-107b that have no analogue in our solar system allow us to better understand the mechanisms of planet formation in general and the resulting variety of exoplanets,” Piaulet said. “It motivates us to study them in great detail.”

During the research, Piaulet and her colleagues made a second discovery: a second planet named WASP-107c with a mass considerably denser than its sister planet. But this planet operates differently, existing much farther from the central star and following a trajectory more ovular than circular.

“WASP-107c has in some respects kept the memory of what happened in its system,” Piaulet said. “Its great eccentricity hints at a rather chaotic past, with interactions between the planets which could have led to significant displacements, like the one suspected for WASP-107b.”


Voir la vidéo: ESOcast 11: Νέοι εξωπλανήτες ανακαλύφθηκαν (Juillet 2021).