Cette exoplanète tourne autour des pôles de son étoile

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En 1992, l’effort de l’humanité pour comprendre l’Univers a fait un pas en avant significatif. C’est alors que les astronomes ont découvert les premières exoplanètes. Ils s’appellent Poltergeist (Noisy Ghost) et Phobetor (Frightener), et ils orbitent autour d’un pulsar à environ 2300 années-lumière.

Même si nous pensions qu’il devait y avoir d’autres planètes autour d’autres étoiles, et que des franchises entières de science-fiction étaient construites sur cette idée, nous n’en savions pas avec certitude et ne pouvions pas simplement supposer que c’était vrai. Un rapide coup d’œil à l’histoire humaine montre à quel point nos hypothèses sur la nature peuvent être erronées.

Depuis lors, grâce en grande partie aux missions Kepler et TESS de la NASA, un flot de découvertes d’exoplanètes a confirmé nos hypothèses sur les planètes d’autres systèmes solaires. Mais alors que nous supposions que d’autres systèmes solaires ressembleraient beaucoup au nôtre – nous n’avions rien d’autre à nous dire – les plus de 5000 exoplanètes que nous avons découvertes nous ont montré la folie de nos hypothèses.

Nous ne pouvons pas être blâmés pour l’hypothèse que d’autres systèmes solaires seraient similaires au nôtre. Il est logique que les planètes rocheuses soient les plus proches de l’étoile et que les géantes gazeuses et les géantes de glace en soient plus éloignées. Même la belle frontière bien rangée fournie par la ceinture d’astéroïdes principale a du sens. Il est également logique que les planètes tournent autour de leur étoile sur l’écliptique avec une petite variation, tout comme les planètes de notre système.

Mais au lieu de cela, les astronomes ont trouvé une prépondérance de géantes gazeuses, y compris les Jupiter chauds. En fait, la première exoplanète découverte autour d’une étoile semblable au Soleil était un Jupiter chaud qui a tourné autour de son étoile en seulement quatre jours. Une grande partie de cela peut être attribuée au biais de détection dans la méthode de transit, qui représente la majorité des détections de planètes.

Illustration d'artiste de la chaude Jupiter HD 189733 b. Crédit d'image : Centre de vol spatial Goddard de la NASA.
Illustration d’artiste de la chaude Jupiter HD 189733 b. Crédit d’image : Centre de vol spatial Goddard de la NASA.

Nos hypothèses sur des systèmes solaires ordonnés similaires au nôtre sont maintenant bien dans notre rétroviseur, car nous avons découvert des exoplanètes sur des orbites extrêmement excentriques, des exoplanètes dans des endroits où nous ne les attendions pas, comme en orbite autour de naines blanches, et des planètes si bizarres que une pluie de fer en fusion pourrait tomber du ciel.

Mais il existe une sous-classe d’exoplanètes qui retient davantage l’attention des scientifiques exoplanétaires. Ces planètes sont en orbite polaire autour de leurs étoiles. Une équipe d’astronomes en a trouvé un autre, et la découverte demande une explication.

Les astronomes utilisent l’effet Rossiter-McLaughlin pour déterminer dans quel sens une étoile tourne et si une exoplanète se trouve sur une orbite polaire. Il est basé sur le décalage vers le rouge et le décalage vers le bleu. Le côté d’une étoile tournant vers nous s’approche de nous et la lumière de cette partie du Soleil passera au bleu. Le côté qui s’éloigne de nous décale sa lumière dans le rouge. Lorsqu’une planète transite devant l’étoile, elle affecte le décalage et les astronomes peuvent mesurer l’effet.

La lumière de l'étoile qui tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre est décalée vers le bleu du côté qui approche et décalée vers le rouge du côté qui s'éloigne. Lorsque la planète passe devant l'étoile, elle bloque séquentiellement la lumière décalée vers le bleu et vers le rouge, provoquant un changement de la vitesse radiale apparente de l'étoile, mais elle ne change pas en fait. Crédit image : Par Autiwaderivative work : Autiwa (talk) - Rossiter-McLaughlin_effect.png, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9761976
La lumière de l’étoile qui tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre est décalée vers le bleu du côté qui approche et décalée vers le rouge du côté qui s’éloigne. Lorsque la planète passe devant l’étoile, elle bloque séquentiellement la lumière décalée vers le bleu et vers le rouge, provoquant un changement de la vitesse radiale apparente de l’étoile, mais elle ne change pas en fait. Crédit image : Par Autiwaderivative work : Autiwa (talk) – Rossiter-McLaughlin_effect.png, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9761976

Les chercheurs ont présenté leurs travaux dans un nouvel article qui sera publié dans la revue Astronomy and Astrophysics. Il s’intitule “Une planète polaire gonflée : la planète chaude et à faible densité Jupiter TOI-640 b est sur une orbite polaire”. L’auteur principal est Emil Knudstrup, titulaire d’un doctorat. étudiant au Département de Physique et d’Astronomie de l’Université d’Aarhus, Danemark. Un autre des auteurs, Simon Albrecht, est connu pour ses recherches sur les exoplanètes en orbite polaire et est auteur et co-auteur d’autres articles sur le sujet.

TOI-640 est une étoile de type F de séquence principale. Il est environ 1,5 fois plus massif que le Soleil et environ le double de rayon. L’étoile a environ 2 milliards d’années et se trouve à environ 1115 années-lumière de nous. TOI-640 est une étoile binaire et sa compagne est une naine rouge.

Cette figure de l'article montre les transits TESS pour TOI-640 b. Les points bleus sont des échantillons de cadence de 30 minutes et les points orange sont des échantillons de cadence de 2 minutes. Les points avec des barres d'erreur dans la case ne sont pas des données mais illustrent les erreurs typiques pour les données. Crédit d'image : Knudstrup et al. 2023.
Cette figure de l’article montre les transits TESS pour TOI-640 b. Les points bleus sont des échantillons de cadence de 30 minutes et les points orange sont des échantillons de cadence de 2 minutes. Les points avec des barres d’erreur dans la case ne sont pas des données mais illustrent les erreurs typiques pour les données. Crédit d’image : Knudstrup et coll. 2023.

TOI-640 b est un Jupiter chaud et gonflé. Il a environ 60% de la masse de Jupiter et un rayon d’environ 1,7 de celui de Jupiter. Mais ce qui distingue la planète, c’est son obliquité stellaire. L’obliquité stellaire est la différence entre l’axe de rotation d’une étoile et l’orbite de ses planètes. TOI-640 a une obliquité stellaire de 184 ± 3?. Cela signifie que la planète TOI-640 b est en orbite polaire autour de l’étoile.

Et le TOI-640 b n’est pas le seul.

Il y a beaucoup trop de planètes comme celle-ci pour les ignorer comme des irrégularités. La recherche montre que si la plupart des Jupiters chauds suivent des orbites alignées avec leur étoile, un nombre important ont des orbites mal alignées. Ceux dont les orbites sont mal alignées ont tendance à avoir des orbites polaires.

Cette figure montre la température de l'étoile sur l'axe des x et le degré d'obliquité sur l'axe des y pour les Jupiters chauds. Pour une raison quelconque, les planètes de l'échantillon sont soit bien alignées avec une faible obliquité, soit sur des orbites polaires. Crédit d'image : Albrecht et al. 2021.
Cette figure montre la température de l’étoile sur l’axe des x et le degré d’obliquité sur l’axe des y pour les Jupiters chauds. La température est indiquée car des températures plus élevées correspondent à une rotation stellaire plus rapide. Pour une raison quelconque, les planètes de l’échantillon sont soit bien alignées avec une faible obliquité, soit sur des orbites polaires. Crédit d’image : Albrecht et coll. 2021.

Il est intéressant de noter que les orbites mal alignées ne couvrent pas la gamme des obliquités. Au lieu de cela, ils ont tendance à s’agglutiner sur des orbites polaires, ce qui ne peut pas être un hasard. Dans un article de 2021 intitulé “A Preponderance of Perpendicular Planets”, les auteurs ont écrit que “l’empilement des orbites polaires est un indice sur les processus inconnus d’excitation et d’évolution de l’obliquité”.

Dans le même article de 2021, les chercheurs ont décrit quatre causes possibles pour les planètes en orbite polaire et pourquoi les planètes mal alignées ont tendance à entrer en orbite polaire.

Dissipation des marées : les astronomes pensent que le TD atténue généralement l’obliquité, mais dans certains cas, il peut faire en sorte que l’obliquité persiste à 90?. Cela se produit lorsque l’amortissement est dominé par la dissipation des ondes inertielles entraînées dans la zone convective par les forces de Coriolis. Mais certaines étoiles avec des planètes en orbite polaire manquent de zones convectives, et d’autres ont des séparations si larges entre elles et leurs planètes que l’effet de TD est négligeable.

Mécanisme de Kozai : Ce sont des interactions entre une étoile et sa planète et un troisième corps appelé le perturbateur. Il peut affecter l’inclinaison et l’excentricité et peut même faire basculer les planètes sur des orbites rétrogrades ou progrades. TOI-640 a une étoile partenaire naine rouge qui pourrait agir comme un perturbateur.

Secular Resonance Crossing : Cela a lieu au début de l’histoire du système solaire lorsque le disque est encore proéminent. La résonance entre la planète en transit et un compagnon extérieur diminue la masse du disque. Il excite l’inclinaison de la planète intérieure et la pousse à 90?.

Déformation magnétique : Cela peut incliner l’ensemble du disque protoplanétaire vers une orientation perpendiculaire. Mais d’autres choses peuvent le contrecarrer, comme le freinage magnétique et les vents de disque.

Voici une illustration d'artiste de l'exoplanète WASP-79 b, un autre Jupiter chaud en orbite polaire autour de son étoile. Crédit image : ESO/B. Addison
Voici une illustration d’artiste de l’exoplanète WASP-79 b, un autre Jupiter chaud en orbite polaire autour de son étoile. Crédit image : ESO/B. Addison

Les auteurs soulignent que ces mécanismes peuvent expliquer certaines des orbites polaires qu’ils voient mais pas toutes. “Bien que ces mécanismes puissent expliquer certaines parties de la distribution observée, ils ne semblent pas être en mesure de reproduire pleinement les observations individuellement”, écrivent-ils.

Mais tous ces mécanismes peuvent rendre compte des planètes sur des orbites polaires. La nature n’a pas besoin de compter sur un seul d’entre eux. “Il serait intéressant d’augmenter la taille de l’échantillon et d’élargir l’espace des paramètres pour essayer de déchiffrer si ces mécanismes fonctionnent ou non en tandem dans différents types de systèmes hébergeant différents types de planètes”, écrivent-ils.

Au fur et à mesure que les astronomes en apprendront davantage sur les autres systèmes solaires, les détails sur les mécanismes dominants, à quels moments et dans quelles conditions deviendront plus clairs. Peut-être que leurs découvertes testeront davantage nos hypothèses sur d’autres systèmes solaires.

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