Grâce aux observations obtenues par le télescope ASTEP (Antarctic Search for Transiting ExoPlanets) de l’Observatoire de la Côte d’Azur en Antarctique, une équipe internationale impliquant plusieurs chercheurs du Laboratoire Lagrange (Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, UniCA) a découvert deux des planètes géantes les moins denses jamais détectées : des grosses planètes « poids-plume » rares, dont la densité est inférieure à celle de la barbe à papa. Cette étude, pilotée par des chercheurs de l’Université d’Oxford, a été publiée aujourd’hui dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Les deux planètes, nommées TOI-791 b et TOI-791 c, orbitent autour d’une étoile naine un peu plus chaude que le Soleil (autour de 6300 Kelvin à sa surface) située à environ 1 110 années-lumière de la Terre, dans la constellation australe du Poisson volant. Elles ont été identifiées comme planètes candidates en 2019 et 2023, respectivement, grâce aux observations du satellite TESS de la NASA, analysées par des bénévoles du projet de science citoyenne Planet Hunters TESS. TESS observe des « transits » d’exoplanètes : le moment où les planètes passent devant leur étoile hôte, ce qui produit une légère baisse de la luminosité de cette dernière. La quantité d’atténuation révèle la taille de la planète. Mais pour confirmer les détections il est nécessaire de réobserver ces transits depuis la Terre, ce qui a été fait par plusieurs télescopes, dont le télescope ASTEP sur la base Concordia en Antarctique qui a observé des transits de ce système pendant 8 ans. L’hiver antarctique offre un avantage unique : des mois d’obscurité continue ont permis aux astronomes de l’Observatoire de la Côte d’Azur de capturer les transits exceptionnellement longs des planètes, chacun durant plus de 11 heures, en une seule observation ininterrompue. Ce sont les transits planétaires continus les plus longs jamais observés dans leur intégralité depuis le sol.
Dans ce système, les chercheurs ont également détecté de subtiles variations dans les temps d’arrivée des transits, causées par l’attraction gravitationnelle mutuelle des deux planètes quand elles se rencontrent lors de leur orbite autour de l’étoile. En analysant ces décalages, l’équipe a pu estimer la masse des planètes et calculer leurs densités remarquablement basses. Bien qu’elles aient à peu près la taille de Jupiter, elles sont extrêmement légères : TOI-791 b a une densité de seulement 0,038 gramme par centimètre cube, tandis que TOI-791 c affiche une densité de 0,047 gramme par centimètre cube. À titre de comparaison, la densité moyenne de Jupiter, la géante gazeuse du système solaire, est de 1,33 gramme par centimètre cube, soit 28 à 35 fois plus élevée. Leur densité est même inférieure à celle de la barbe à papa, qui est généralement d’environ 0,05 gramme par centimètre cube. En revanche, la densité de la Terre est de 5,5 grammes par centimètre cube, soit 117 à 145 fois plus élevée.
Seuls huit autres systèmes planétaires sont connus pour contenir plus d’une planète géante en transit, ce qui fait de TOI-791 un laboratoire exceptionnellement rare pour étudier la formation et l’évolution des planètes géantes.
L’auteure principale de cette étude, la Dr George Dransfield, du département de physique de l’Université d’Oxford, a déclaré : « Seules quelques-unes de ces planètes aussi grosses et légères au même temps sont connues, et il est encore plus rare d’en trouver deux dans le même système. Leur densité extrêmement faible en fait des cibles fascinantes pour comprendre comment les systèmes planétaires se forment et évoluent. »
Antoine Petit, chercheur au Laboratoire Lagrange (Observatoire de la Cote d’Azur, CNRS, UniCA), spécialiste en dynamique planétaire et co-auteur de l’étude, explique: “Les périodes exceptionnellement longues de ces deux planètes nous ont permis de faire des mesures très précises sur les décalages des temps de transits et de pouvoir détecter un signal habituellement trop faible dans les systèmes plus proches de leur étoile appelé « effet de hachage » lié aux perturbations gravitationnelles lorsque les planètes se rapprochent. Grâce à cet effet il a été possible d’obtenir des masses précises pour ces deux planètes. La configuration de ces planètes est relativement rare : pendant que la planète externe fait 3 tours autour de son étoile, la planète interne en fait 5, c’est ce qu’on appelle une résonance 5:3, ce qui est un autre mystère sur les conditions de formation du système. ”
Les astronomes débattent encore de la manière dont ces planètes « cotonneuses » se forment. Une théorie suggère qu’elles possèdent d’énormes atmosphères riches en hydrogène et en hélium, qui représentent une fraction importante de leur masse totale. Ces enveloppes gazeuses géantes pourraient s’être accumulées lorsque les planètes se sont formées loin de leur étoile hôte, dans des régions froides du disque protoplanétaire, où le gaz pouvait se refroidir et s’agglomérer rapidement autour d’un noyau solide. Une autre possibilité est qu’elles ne soient pas du tout des planètes de densité exceptionnellement faible, mais plutôt des planètes ordinaires entourées de vastes systèmes d’anneaux denses, observés presque de face depuis la Terre. Dans cette orientation, les anneaux augmenteraient considérablement la taille apparente de la planète lors des observations de transit, donnant l’impression que ces mondes sont bien plus « aérés » qu’ils ne le sont en réalité.
Les chercheurs prévoient de mener des investigations complémentaires pour mieux comprendre comment ces planètes se sont formées et départager ces deux hypothèses.
Tristan Guillot, chercheur au Laboratoire Lagrange (Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, UniCA), investigateur principal d’ASTEP et co-auteur de l’étude, a ajouté : « Ces systèmes multi-planétaires sont complexes, avec des interactions gravitationnelles entre les planètes qui évoluent sur de très longues périodes, des dizaines d’années ou plus. Cette découverte met en lumière l’importance de la collaboration internationale en astronomie. Rassembler des observations de l’Antarctique, des télescopes spatiaux et des observatoires de plusieurs continents a été essentiel pour révéler la véritable nature de ces planètes extraordinaires. »
Notes :
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L’étude « ASTEP confirmation of a pair of long-period Jupiter-sized planets with extremely low densities transiting TOI-791 » a été publiée dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society le 25 juin 2036 : https://academic.oup.com/mnras/article/549/4/stag864/8715235?searchresult=1
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