Le concept de cet artiste dépeint les sept exoplanètes rocheuses du système TRAPPIST-1, situées à 40 années-lumière de la Terre. Crédit : NASA et JPL/Caltech
Les orbites fragiles de sept exoplanètes limitent l’arrivée tardive de l’eau.
Sept planètes de la taille de la Terre orbitent autour de l’étoile TRAPPIST-1 dans une harmonie presque parfaite, et des chercheurs américains et européens ont utilisé cette harmonie pour déterminer à quel point les planètes auraient pu résister aux abus physiques dans leur enfance.
« Une fois que les planètes rocheuses se sont formées, les choses s’y heurtent », a déclaré l’astrophysicien Sean Raymond de l’Université de Bordeaux en France. “Cela s’appelle bombardement, ou accrétion tardive, et nous nous en soucions, en partie, parce que ces impacts peuvent être une source importante d’eau et d’éléments volatils qui favorisent la vie.”
Dans une étude disponible en ligne aujourd’hui (25 novembre 2021) dans Astronomie de la nature, Raymond et ses collègues de l’Université Rice NasaLe projet CLEVER Planets financé par le projet et sept autres institutions ont utilisé un modèle informatique de la phase de bombardement de la formation planétaire dans TRAPPIST-1 pour explorer les impacts que ses planètes auraient pu supporter sans être déséquilibrées.
Déchiffrer l’histoire de l’impact des planètes est difficile dans notre système solaire et peut sembler une tâche sans espoir dans des systèmes à des années-lumière, a déclaré Raymond.
“Sur Terre, nous pouvons mesurer certains types d’éléments et les comparer avec des météorites”, a déclaré Raymond. “C’est ce que nous faisons pour essayer de comprendre combien de choses se sont enfoncées dans la Terre après sa formation en grande partie.”
Mais ces outils n’existent pas pour étudier le bombardement sur les exoplanètes.
Une illustration montrant à quoi pourrait ressembler le système TRAPPIST-1 d’un point de vue près de la planète TRAPPIST-1f (à droite). Crédit : NASA/JPL-Caltech
“Nous n’obtiendrons jamais de pierres d’eux”, a-t-il déclaré. « Nous n’allons jamais voir de cratères sur eux. Alors, que pouvons-nous faire? C’est là qu’intervient la configuration orbitale spéciale de TRAPPIST-1. C’est une sorte de levier sur lequel nous pouvons tirer pour mettre des limites à cela.
TRAPPIST-1, à environ 40 années-lumière, est beaucoup plus petit et plus frais que notre soleil. Ses planètes sont nommées par ordre alphabétique de b à h selon leur distance à l’étoile. Le temps nécessaire pour effectuer une orbite autour de l’étoile – équivalent à un an sur Terre – est de 1,5 jour sur la planète b et de 19 jours sur la planète h. Remarquablement, leurs périodes orbitales forment des rapports presque parfaits, un arrangement résonnant rappelant des notes musicales harmonieuses. Par exemple, tous les huit « ans » sur la planète b, cinq passent sur la planète c, trois sur la planète d, deux sur la planète e et ainsi de suite.
“Nous ne pouvons pas dire exactement combien de choses ont frappé l’une de ces planètes, mais en raison de cette configuration de résonance spéciale, nous pouvons y mettre une limite supérieure”, a déclaré Raymond. « Nous pouvons dire : « Ça ne peut pas être plus que ça ». Et il s’avère que cette limite supérieure est en fait assez petite.
“Nous avons compris qu’après la formation de ces planètes, elles n’avaient pas été bombardées par plus d’une très petite quantité de choses”, a-t-il déclaré. « C’est plutôt cool. C’est une information intéressante lorsque nous pensons à d’autres aspects des planètes du système.
Les planètes de TRAPPIST-1 comparées aux lunes et planètes de Jupiter dans le système solaire. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Les planètes se développent dans des disques protoplanétaires de gaz et de poussière autour des étoiles nouvellement formées. Ces disques ne durent que quelques millions d’années, et Raymond a déclaré que des recherches antérieures ont montré que des chaînes résonnantes de planètes comme celle de TRAPPIST-1 se forment lorsque les jeunes planètes migrent plus près de leur étoile avant que le disque ne disparaisse. Des modèles informatiques ont montré que les disques peuvent entraîner les planètes en résonance. Raymond a déclaré que l’on pense que les chaînes résonantes comme celles de TRAPPIST-1 doivent être définies avant que leurs disques ne disparaissent.
Le résultat est que les planètes de TRAPPIST-1 se sont formées rapidement, en environ un dixième du temps qu’il a fallu à la Terre pour se former, a déclaré Andre Izidoro, co-auteur de l’étude Rice, astrophysicien et boursier postdoctoral de CLEVER Planets.
Sean Raymond. Crédit : Université Rice
CLEVER Planets, dirigé par le co-auteur de l’étude Rajdeep Dasgupta, professeur Maurice Ewing de science des systèmes terrestres à Rice, explore les façons dont les planètes pourraient acquérir les éléments nécessaires pour soutenir la vie. Dans des études précédentes, Dasgupta et ses collègues de CLEVER Planets ont montré qu’une partie importante de la les éléments volatils provenaient de l’impact qui a formé la lune.
« Si une planète se forme tôt et qu’elle est trop petite, comme la masse de la lune ou Mars, il ne peut pas accumuler beaucoup de gaz du disque », a déclaré Dasgupta. “Une telle planète a également beaucoup moins d’opportunités d’acquérir des éléments volatiles essentiels à la vie grâce à des bombardements tardifs.”
Izidoro a déclaré que cela aurait été le cas pour la Terre, qui a gagné la majeure partie de sa masse relativement tard, y compris environ 1% des impacts après la collision de formation de la lune.
“Nous savons que la Terre a eu au moins un impact géant après la disparition du gaz (dans le disque protoplanétaire)”, a-t-il déclaré. «C’était l’événement de formation de la lune.
“Pour le système TRAPPIST-1, nous avons ces planètes de la masse terrestre qui se sont formées tôt”, a-t-il déclaré. « Donc, une différence potentielle, par rapport à la formation de la Terre, est qu’ils pourraient avoir, dès le début, une atmosphère d’hydrogène et n’ont jamais connu d’impact géant tardif. Et cela pourrait changer beaucoup l’évolution en termes d’intérieur de la planète, de dégazage, de perte volatile et d’autres choses qui ont des implications pour l’habitabilité. »
Raymond a déclaré que l’étude de cette semaine a des implications non seulement pour l’étude d’autres systèmes planétaires résonnants, mais pour des exoplanète systèmes que l’on croyait avoir commencé comme des systèmes résonnants.
André Izidoro. Crédit : Université Rice
“Les super-Terres et les sous-Neptunes sont très abondantes autour d’autres étoiles, et l’idée prédominante est qu’elles ont migré vers l’intérieur pendant cette phase de disque gazeux, puis ont peut-être eu une phase tardive de collisions”, a déclaré Raymond. «Mais au cours de cette première phase, où ils migraient vers l’intérieur, nous pensons qu’ils ont à peu près – universellement peut-être – eu une phase où ils étaient des structures en chaîne résonantes comme TRAPPIST-1. Ils n’ont tout simplement pas survécu. Ils ont fini par devenir instables plus tard.
Izidoro a déclaré que l’une des contributions majeures de l’étude pourrait survenir dans des années, après que le télescope spatial James Webb de la NASA, le télescope extrêmement grand de l’Observatoire européen austral et d’autres instruments permettent aux astronomes d’observer directement les atmosphères des exoplanètes.
“Nous avons aujourd’hui des contraintes sur la composition de ces planètes, comme la quantité d’eau qu’elles peuvent avoir”, a déclaré Izidoro à propos des planètes qui se forment dans une phase de migration résonnante. “Mais nous avons de très grosses barres d’erreur.”
À l’avenir, les observations limiteront mieux la composition intérieure des exoplanètes, et connaître l’histoire du bombardement tardif des planètes résonantes pourrait être extrêmement utile.
“Par exemple, si l’une de ces planètes a beaucoup d’eau, disons 20% de fraction massique, l’eau doit avoir été incorporée aux planètes tôt, pendant la phase gazeuse”, a-t-il déclaré. “Vous devrez donc comprendre quel type de processus pourrait amener cette eau sur cette planète.”
Référence : « Une limite supérieure sur l’accrétion tardive et la livraison d’eau dans le système de l’exoplanète Trappist-1 » 25 novembre 2021, Astronomie de la nature.
DOI : 10.1038 / s41550-021-01518-6
Les co-auteurs supplémentaires de l’étude incluent Emeline Bolmont et Martin Turbet de l’Université de Genève, Caroline Dorn de l’Université de Zurich, Franck Selsis de l’Université de Bordeaux, Eric Agol du Université de Washington, Patrick Barth de l’Université de St. Andrews, Ludmila Carone de l’Institut Max Planck d’Astronomie à Heidelberg, Allemagne, Michael Gillon de l’Université de Liège et Simon Grimm du Université de Berne.
La recherche a été soutenue par la NASA (80NSSC18K0828), l’Agence fédérale brésilienne pour le soutien et l’évaluation de l’enseignement supérieur (88887.310463/2018-00), le Conseil national brésilien pour le développement scientifique et technologique (313998/2018-3), l’Université de St Andrews, la Fondation allemande pour la recherche (SP1833-1795/3), le programme Horizon 2020 de l’Union européenne (832738/ESCAPE), le Fonds national suisse de la recherche scientifique (PZ00P2 174028), le Programme national de planétologie du Centre national de la recherche scientifique, le Centre informatique pour l’enseignement supérieur (A0080110391) et la Fondation Gruber.
