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Les astronomes ont eu un rare aperçu de quatre bébés planètes au fur et à mesure qu’ils grandissent, et cela révèle quelque chose de surprenant : ces mondes de tout-petits deviennent plus légers à mesure qu’ils vieillissent.
Les mondes quadruplés orbitent selon des trajectoires serrées autour de l’étoile V1298 Tau, un jeune système âgé de seulement 20 millions d’années (à comparer aux 4,5 milliards d’années de notre Soleil) situé à environ 350 années-lumière de la Terre. Une nouvelle analyse, qui s’appuie sur une décennie d’observations, montre que les planètes sont étonnamment légères, avec de faibles densités – si gonflées, en fait, que les chercheurs les ont comparées à de la mousse de polystyrène.
Ces systèmes plus anciens sont souvent remplis de planètes de taille comprise entre la Terre et Neptune, Orbites semblables à celles de Mercure. Les origines de ces mondes restent l’un des mystères persistants de l’astronomie.
« Ce qui est si excitant, c’est que nous voyons un aperçu de ce qui deviendra un système planétaire tout à fait normal », a déclaré l’auteur principal de l’étude. John Livingstonprofesseur adjoint à l’Observatoire astronomique national du Japon, a déclaré dans un communiqué déclaration. « Nous n’avons jamais eu une image aussi claire d’eux au cours de leurs années de formation. »
Au fil du temps, les mondes gonflés autour de V1298 Tau devraient rétrécir à mesure qu’ils se débarrassent de leur atmosphère épaisse, pour finalement devenir super-Terres et les sous-Neptunes – des types planétaires absents de notre propre système solaire mais omniprésents dans toute la galaxie.
En capturant les planètes à un stade aussi crucial de leur développement, l’étude, publiée le 7 janvier dans la revue Naturepermet aux astronomes de retracer les processus chaotiques qui sculptent les systèmes planétaires sur des milliards d’années.
« Je ne pouvais pas y croire! »
Les quatre planètes en orbite autour de V1298 Tau étaient identifié pour la première fois dans 2019 dans les données du télescope spatial Kepler de la NASA. L’une a à peu près la taille de Jupiter, tandis que les trois autres se situent entre la taille de Neptune et celle de Saturne.
Ce qui a immédiatement distingué le système était sa disposition encombrée de plusieurs planètes surdimensionnées regroupées sur des orbites relativement étroites – une configuration connue dans un seul autre système, Kepler-51, parmi plus de 500 systèmes multi-planétaires connus.
Même si l’existence des planètes était claire, leurs propriétés fondamentales restaient insaisissables. Pour les cerner, Livingston et son équipe se sont lancés dans une campagne d’observation de près d’une décennie à l’aide d’une demi-douzaine de télescopes dans l’espace et au sol. Ils ont suivi les planètes lorsqu’elles passaient devant leur étoile – des événements connus sous le nom de transits, qui provoquer de minuscules creux dans la lumière des étoiles qui révèlent la taille et la période orbitale d’une planète.
Surtout, de petites variations dans le timing des transits, provoquées par la traction gravitationnelle des planètes les unes sur les autres, ont permis à l’équipe de mesurer leurs masses. La technique est particulièrement puissante car elle est largement insensible aux interférences des éruptions stellaires courantes autour des jeunes étoiles, note l’étude.
Mais la méthode ne fonctionne que si les astronomes connaissent avec précision la période orbitale de chaque planète – et pour la planète la plus éloignée, V1298 Tau e, cette information manquait. Selon l’étude, seuls deux de ses transits ont été observés, séparés de 6,5 ans par les observations de Kepler et du télescope TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de chasse aux exoplanètes de la NASA, laissant les astronomes incertains du nombre de transits restés inaperçus entre les deux.
Un coup de chance s’est produit lorsque le réseau d’observatoires au sol de Las Cumbres – qui exploite des télescopes aux États-Unis, au Chili et en Afrique du Sud – a repéré un troisième transit, permettant aux chercheurs de verrouiller enfin l’orbite de la planète et de modéliser la chorégraphie gravitationnelle complète du système.
« Je ne pouvais pas y croire ! » co-auteur de l’étude Erik Petiguraprofesseur adjoint d’astronomie et d’astrophysique à l’UCLA, a déclaré dans le communiqué. « Le timing était si incertain que je pensais que nous devions essayer au moins une demi-douzaine de fois. C’était comme faire un trou d’un coup au golf. »
Les résultats ont montré que, bien qu’elles aient un rayon de cinq à dix fois supérieur à celui de la Terre, les planètes ont des masses seulement cinq à quinze fois supérieures à celle de la Terre, ce qui en fait l’une des planètes les moins denses jamais découvertes, a déclaré Livingston.
« En pesant ces planètes pour la première fois, nous avons fourni la première preuve observationnelle », co-auteur de l’étude Trevor Davidun astrophysicien anciennement au Flatiron Institute de New York, qui a dirigé la découverte du système en 2019, a déclaré dans le communiqué. « Ils sont en effet exceptionnellement « gonflés », ce qui nous donne une référence cruciale et attendue depuis longtemps pour les théories de l’évolution des planètes. »
L’équipe a ensuite simulé l’évolution des planètes et a constaté qu’elles avaient déjà perdu une grande partie de leur atmosphère d’origine et se sont refroidies plus rapidement que ne le prédisaient les modèles standards.
« Mais ils continuent d’évoluer », co-auteur de l’étude James Owenprofesseur agrégé d’astrophysique à l’Imperial College de Londres, a déclaré dans le communiqué. Les planètes devraient continuer à rejeter du gaz et à se contracter en super-Terres et sous-Neptunes, a-t-il déclaré.
« Au cours des prochains milliards d’années, elles continueront à perdre leur atmosphère et à rétrécir considérablement, se transformant en systèmes compacts de super-Terres et de sous-Neptunes que nous voyons dans toute la galaxie », a ajouté Owen.
