Ces 2 planètes géantes à 1 110 années-lumière sont moins denses que la barbe à papa : les astronomes cherchent l’explication

Imaginez deux exoplanètes de type géante gazeuse, mais dont les densités sont de 0,038 et 0,047 gramme par centimètre cube. Celle de la Terre est de 5,5 g/cm3 et celle de l’eau de 1 g/cm3. Science-fiction ? Non. Il s’agit des densités de TOI-791 b et TOI-791 c, qui orbitent autour d’une étoile naine de type F7, située à environ 1 110 années-lumière de la Terre, dans la constellation australe du Poisson volant (Volans).

Avec de telles densités, qui sont même inférieures à celle de la barbe à papa, qui avoisine généralement 0,05 gramme par centimètre cube, elles pourraient flotter sur un océan géant s’il en existait un à leur taille. Ce ne serait pas le cas d’une autre géante gazeuse que nous connaissons bien, à savoir Jupiter qui a une densité moyenne de 1,33 g/cm3.

Elles font partie du zoo quelque peu exotique des exoplanètes connues de la noosphère dans la Voie lactée et recensées par le célèbre site de l’Encyclopédie des planètes extrasolaires, fondé en 1995 par l’astronome Jean Schneider de l’observatoire de Paris. Nous n’en sommes encore qu’au début de l’exploration de ce monde.

Les méthodes de détection des exoplanètes se sont largement diversifiées depuis les années 1990. Elles peuvent se classer en deux grandes catégories, les méthodes directes et les méthodes indirectes. Les trois méthodes principales sont la méthode directe d’imagerie, la méthode indirecte du transit et la méthode indirecte de la vitesse radiale. © CEA Recherche

Des transits variables, clés de l’estimation des masses et rayons des exoplanètes

TOI-791 b et TOI-791 c ont d’abord été débusquées par la méthode des transits planétaires, c’est-à-dire en constatant des modifications périodiques et répétables d’une légère baisse d’intensité de la luminosité d’une étoile lorsqu’une exoplanète passe devant elle pour un observateur.

C’est le satellite Tess de la Nasa qui a fourni les premières alertes. Mais il a fallu des observations supplémentaires obtenues par le télescope Astep (Antarctic Search for Transiting ExoPlanets) de l’Observatoire de la Côte d’Azur, en Antarctique, pour qu’une équipe internationale impliquant plusieurs chercheurs du Laboratoire Lagrange (Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, UniCA) confirme l’existence de ces géantes, comme l’explique un article dans la célèbre revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Nous avions déjà parlé du télescope Astep sur la base Concordia, en Antarctique, et des conditions exceptionnelles d’observations qu’il permet dans le précédent article ci-dessous.

Dans le cas présent, la durée du jour en Antarctique a permis 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, comme l’explique le communiqué de l’Observatoire de la Côte d’Azur (OCA), dont nous venons de reprendre quelques explications.

Des « anomalies » dans les temps de transit s’expliquent par les forces gravitationnelles des exoplanètes les unes sur les autres, qui modifient leurs mouvements. L’analyse de ces variations permet de remonter à leurs masses. Les caractéristiques des creux observés dans la courbe de luminosité de l’étoile hôte TOI-791 fournissent les rayons des exoplanètes. En combinant les valeurs des masses et des rayons, on peut alors obtenir des densités.

À la découverte de nouvelles exoplanètes depuis l’Antarctique : la mission Astep. Cette vidéo, réalisée avec Tristan Guillot, directeur de recherche CNRS au Laboratoire Lagrange de l’Observatoire de la Côte d’Azur, nous plonge au cœur de cette aventure scientifique unique, entre nuits polaires et recherche d’exoplanètes. © Observatoire de la Côte d’Azur

Des super-Saturnes ?

Toujours dans le communiqué de l’OCA, Tristan Guillot, chercheur au Laboratoire Lagrange (Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, UniCA), investigateur principal d’Astep et co-auteur de l’étude, explique : « 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. »

L’auteure principale de cette étude, la Dre 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. »

Une comparaison des exoplanètes autour de l’étoile TOI-791 avec les planètes du Système solaire. © Nasa, Daniel Rutter, University of Oxford, Pat Irwin, CNRS and OCA, Tristan Guillot

Les astronomes ne savent pas encore exactement comment se forment les planètes géantes « cotonneuses ». Deux hypothèses principales existent : soit elles possèdent d’immenses atmosphères d’hydrogène et d’hélium, accumulées très tôt dans les régions froides du disque protoplanétaire, soit leur faible densité apparente serait une illusion due à de vastes systèmes d’anneaux vus presque de face, qui augmenteraient leur taille observée lors des transits.