Illustration de la formation d’une planète autour d’une étoile semblable au Soleil, avec les éléments constitutifs des planètes – roches et molécules de fer – au premier plan. Crédit : © Tania Cunha (Planétarium de Porto – Living Science Center & Astrophysics and Space Sciences Institute)
Un lien de composition entre les planètes et leur étoile hôte respective a longtemps été supposé en astronomie. Pour la première fois, une équipe de scientifiques, avec la participation de chercheurs du Pôle National de Compétences en Recherche (PRN) PlanetS du Université de Berne et l’Université de Zürich, fournissent des preuves empiriques pour étayer l’hypothèse – et la contredisent en partie en même temps.
Les étoiles et les planètes sont formées à partir du même gaz et de la même poussière cosmiques. Au cours du processus de formation, une partie de la matière se condense et forme des planètes rocheuses, le reste est soit accumulé par l’étoile, soit fait partie de planètes gazeuses. L’hypothèse d’un lien entre la composition des étoiles et de leurs planètes est donc raisonnable et est confirmée, par exemple, dans le système solaire par la plupart des planètes rocheuses (Mercure étant l’exception). Néanmoins, les hypothèses, notamment en astrophysique, ne s’avèrent pas toujours vraies. Une étude menée par l’Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IA) au Portugal, qui implique également des chercheurs du PRN PlanetS de l’Université de Berne et de l’Université de Zürich, publiée le 15 octobre 2021, dans la revue Science, fournit la première preuve empirique de cette hypothèse – et en même temps la contredit partiellement.
Étoile condensée contre planète rocheuse
Pour déterminer si les compositions des étoiles et de leurs planètes sont liées, l’équipe a comparé des mesures très précises des deux. Pour les étoiles, leur lumière émise a été mesurée, qui porte l’empreinte spectroscopique caractéristique de leur composition. La composition des planètes rocheuses a été déterminée indirectement : leur densité et leur composition étaient dérivées de leur masse et de leur rayon mesurés. Ce n’est que récemment que suffisamment de planètes ont été mesurées avec une telle précision que des enquêtes significatives de ce type sont possibles.
« Mais comme les étoiles et les planètes rocheuses sont de nature assez différente, la comparaison de leur composition n’est pas simple », comme commence à le dire Christoph Mordasini, co-auteur de l’étude, maître de conférences en astrophysique à l’Université de Berne et membre du PRN PlanetS. Explique. « Au lieu de cela, nous avons comparé la composition des planètes avec une version théorique et refroidie de leur étoile. Alors que la majeure partie du matériau de l’étoile – principalement l’hydrogène et l’hélium – reste sous forme de gaz lorsqu’elle se refroidit, une infime fraction se condense, constituée de matériaux rocheux tels que le fer et le silicate », explique Christoph Mordasini.
À l’Université de Berne, le «Modèle de Berne de la formation et de l’évolution des planètes» est continuellement développé depuis 2003 (voir encadré). Christoph Mordasini déclare : « Des informations sur les multiples processus impliqués dans la formation et l’évolution des planètes sont intégrées dans le modèle. À l’aide de ce modèle de Berne, les chercheurs ont pu calculer la composition de ce matériau rocheux de l’étoile refroidie. “Nous avons ensuite comparé cela avec les planètes rocheuses”, explique Christoph Mordasini.
Indications de l’habitabilité des planètes
« Nos résultats montrent que nos hypothèses concernant les compositions des étoiles et des planètes n’étaient pas fondamentalement fausses : la composition des planètes rocheuses est en effet intimement liée à la composition de leur étoile hôte. Cependant, la relation n’est pas aussi simple que nous l’espérions », explique l’auteur principal de l’étude et chercheur à l’IA, Vardan Adibekyan. Les scientifiques s’attendaient à ce que l’abondance de ces éléments dans l’étoile fixe la limite supérieure possible. « Pourtant, pour certaines planètes, l’abondance de fer sur la planète est encore plus élevée que dans l’étoile », comme l’explique Caroline Dorn, co-auteur de l’étude et membre du NCCR PlanetS ainsi qu’Ambizione Fellow à l’Université de Zurich. , explique. “Cela pourrait être dû à des impacts géants sur ces planètes qui cassent certains des matériaux extérieurs plus légers, tandis que le noyau de fer dense reste”, selon le chercheur. Les résultats pourraient donc donner aux scientifiques des indices sur l’histoire des planètes.
« Les résultats de cette étude sont également très utiles pour contraindre les compositions planétaires supposées basées sur la densité calculée à partir des mesures de masse et de rayon », explique Christoph Mordasini. « Étant donné que plusieurs compositions peuvent correspondre à une certaine densité, les résultats de notre étude nous indiquent que nous pouvons réduire les compositions potentielles, en fonction de la composition de l’étoile hôte », explique Mordasini. Et puisque la composition exacte d’une planète influence, par exemple, la quantité de matières radioactives qu’elle contient ou la force de son champ magnétique, elle peut déterminer si la planète est favorable à la vie ou non.
“Modèle de Berne de la formation et de l’évolution des planètes”
Des déclarations peuvent être faites sur la façon dont une planète s’est formée et comment elle a évolué en utilisant le “Modèle de Berne de la formation et de l’évolution des planètes”. Le modèle de Berne a été continuellement développé à l’Université de Berne depuis 2003. Des informations sur les multiples processus impliqués dans la formation et l’évolution des planètes sont intégrées dans le modèle. Ce sont, par exemple, des sous-modèles d’accrétion (croissance du noyau d’une planète) ou de la façon dont les planètes interagissent gravitationnellement et s’influencent mutuellement, et des processus dans les disques protoplanétaires dans lesquels les planètes se forment. Le modèle est également utilisé pour créer des synthèses de population, qui montrent quelles planètes se développent à quelle fréquence dans certaines conditions dans un disque protoplanétaire.
Référence : « A compositional link between rocky exoplanets and their host stars » par Vardan Adibekyan, Caroline Dorn, Sergio G. Sousa, Nuno C. Santos, Bertram Bitsch, Garik Israelian, Christoph Mordasini, Susana CC Barros, Elisa Delgado Mena, Olivier DS Demangeon, João P. Faria, Pedro Figueira, Artur A. Hakobyan, Mahmoudreza Oshagh, Barbara MTB Soares, Masanobu Kunitomo, Yoichi Takeda, Emiliano Jofré, Romina Petrucci et Eder Martioli, 15 octobre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abg8794
