Les étoiles de faible masse peuvent-elles héberger des planètes géantes de la taille de Jupiter ? Les théories de la formation des planètes suggèrent que c’est hautement improbable. Mais une équipe de scientifiques au Royaume-Uni a découvert que c’était possible, bien que rare.
La théorie la plus largement répandue de la formation des planètes est la théorie de l’accrétion de base. Il déclare que les planétésimaux se forment avant les planètes et que les planétésimaux se combinent par accrétion et forment un noyau planétaire. Au fur et à mesure que le noyau devient plus massif, il finit par attirer les gaz qui forment une atmosphère. Si le noyau devient suffisamment massif, il peut attirer suffisamment de gaz pour devenir une géante gazeuse.
La théorie de l’accrétion du noyau prédit que les planètes massives autour d’étoiles de faible masse sont rares. S’il y avait suffisamment de matière disponible pour former une planète massive, cette matière aurait dû former une étoile massive à la place, laissant moins de matière disponible pour la formation de la planète.
Trois chercheurs du Royaume-Uni ont parcouru les données TESS à la recherche de planètes massives autour d’étoiles de faible masse. Ils publient leurs découvertes dans un article intitulé “Le taux d’occurrence des planètes géantes en orbite autour d’étoiles de faible masse avec TESS”, qui a été accepté pour publication par les avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Le premier auteur est Edward M. Bryant, chercheur au Mullard Space Science Laboratory de l’University College de Londres.
Selon Bryant, les découvertes de l’article remettent en question nos théories de la formation planétaire.
L’une des connaissances fondamentales de la science planétaire concerne le lien entre les planètes et les étoiles qui les hébergent. Par exemple, les étoiles de métallicité plus élevée hébergent plus de géantes gazeuses. La théorie montre que les géantes gazeuses se forment plus facilement autour des étoiles à haute métallicité parce que la métallicité plus élevée facilite la formation de plus de planétésimaux qui peuvent se combiner pour former des noyaux plus gros. Les noyaux plus gros attirent plus de gaz et peuvent devenir des géantes gazeuses.
La plupart des géantes gazeuses trouvées par les chasseurs d’exoplanètes sont des Jupiter chauds, des géantes gazeuses massives qui orbitent plus près de leurs étoiles que tout ce qui se trouve dans notre système solaire. La plupart des études montrent que des Jupiter chauds et des planètes massives, en général, existent autour d’étoiles massives de types F, G et K. Mais le type d’étoile le plus courant dans la Voie lactée est les naines M, des étoiles de faible masse également appelées naines rouges.
Certaines recherches montrent que les planètes de masse élevée se forment moins facilement autour d’étoiles de faible masse qu’autour d’étoiles semblables au Soleil. Une étude de 2021 a montré que plus la masse d’une étoile est faible, moins une planète de masse élevée est probable. Pour une petite étoile avec seulement 0,5 masse solaire, le taux d’occurrence des planètes avec 30 masses terrestres ou plus est nul.
Les auteurs de cette étude ont utilisé les données TESS pour rechercher des planètes géantes autour d’étoiles de faible masse. “Déterminer la fréquence des planètes géantes autour d’étoiles de faible masse agira comme un test clé pour les théories de la formation des planètes”, écrivent-ils dans leur article. “Des découvertes récentes de planètes chaudes de Jupiter en orbite autour de naines M ont montré que des planètes géantes peuvent se former autour d’étoiles de faible masse”, écrivent-ils, tout en soulignant qu’il existe très peu d’exemples connus de Jupiters chauds autour d’étoiles de faible masse.
Comme les astronomes aiment le souligner, ce sont les extrêmes et les valeurs aberrantes qui testent vraiment une théorie. Une meilleure connaissance observationnelle de la population de géantes gazeuses autour d’étoiles de faible masse ne fera que renforcer la compréhension de la formation des planètes et de la théorie de l’accrétion du noyau. À l’heure actuelle, nous connaissons 536 exoplanètes géantes qui transitent par leurs étoiles hôtes. Seuls 16 d’entre eux orbitent autour d’étoiles dont la masse stellaire est inférieure à 0,65 masse solaire. Et seulement 1 d’entre eux orbite autour d’une étoile de moins de 0,5 masse solaire.
Le problème est qu’il s’agit de points de données isolés et qu’il est difficile de tirer des conclusions à partir d’eux. “Le véritable impact de ces découvertes sur notre connaissance de la formation des planètes ne peut être déterminé sans une mesure robuste du taux d’occurrence de ces systèmes”, expliquent les chercheurs.
Il y a eu d’autres efforts pour trouver le taux d’occurrence de planètes géantes autour d’étoiles de faible masse, mais celui-ci est plus approfondi, selon les chercheurs, car il se concentre sur des étoiles de masse encore plus faible. “Grâce à cette étude, nous avons mesuré les taux d’occurrence des planètes géantes pour les étoiles hôtes de masse inférieure à celles des études précédentes”, écrivent-ils.
Les auteurs ont examiné 91 306 étoiles de faible masse dans leur échantillon.
Leur recherche de plus de 90 000 étoiles de faible masse a donné 15 planètes candidates géantes, dont sept n’étaient pas connues auparavant.
La signification des 15 planètes géantes qu’ils ont découvertes est claire. Un chiffre de leur article compare leur échantillon à la population totale d’exoplanètes géantes en transit. “… il est évident que notre recherche a étendu la population de planètes gazeuses en transit connues à des hôtes de masse stellaire plus faible que jamais”, expliquent-ils.
“Il doit y avoir une voie par laquelle ces étoiles peuvent former des planètes géantes.”
extrait de “Le taux d’occurrence des planètes géantes en orbite autour d’étoiles de faible masse avec TESS”.
Alors, que signifient ces découvertes pour nos théories de la formation planétaire ? L’auteur principal Bryant est un jeune scientifique, et cet article fait partie de son doctorat. Il est clairement enthousiasmé par ces découvertes et les questions qu’elles posent.
“La dépendance des taux d’occurrence des planètes géantes à la masse de l’étoile hôte est une prédiction claire de la théorie de la formation des planètes par accrétion”, expliquent les auteurs. Cette théorie prédit des taux inférieurs de planètes géantes autour d’étoiles de moins d’une masse solaire. Mais ces résultats contredisent à la fois la théorie et les recherches antérieures. “Cependant, nos résultats montrent que des planètes géantes proches peuvent exister et existent pour ces étoiles hôtes de faible masse.”
Donc, si la théorie de l’accrétion centrale dit que la plupart des 15 planètes géantes découvertes dans l’étude ne devraient pas exister, que se passe-t-il ? De toute évidence, il existe un mécanisme qui leur permet de se former, et notre théorie est incomplète. “Il doit y avoir une voie par laquelle ces étoiles peuvent former des planètes géantes”, écrivent les auteurs.
Le principal obstacle aux étoiles massives est la masse disponible dans le disque protoplanétaire. Les scientifiques pensent que les étoiles de faible masse ne peuvent supporter que des disques de faible masse. Mais même de rares exceptions à cela pourraient expliquer ces résultats. “Par conséquent, si ces étoiles de faible masse étaient capables de supporter des disques beaucoup plus massifs que prévu actuellement, même rarement, cela permettrait la formation de ces planètes géantes”, expliquent-ils.
“Plus d’observations” est un refrain courant en science, et il convient dans ce cas. “Des études d’observation d’étoiles de faible masse hébergeant des disques pourraient permettre de limiter l’occurrence de tels disques massifs”, écrivent les auteurs. Mais estimer les masses des disques protoplanétaires est une science imparfaite, et cela pourrait être aussi simple que cela : nous ne savons pas comment mesurer précisément la masse.
Des observations plus nombreuses et de meilleure qualité pourraient clarifier cela, mais il y a un obstacle. De très jeunes disques protoplanétaires sont encore noyés dans des nuages de gaz et obscurcis par un épais voile de gaz. Les disques pourraient être plus massifs que nous ne le savons. “En tant que tels, ces disques pourraient commencer avec une masse beaucoup plus élevée que lorsque nous pouvons les observer, et il est donc possible que leurs masses initiales soient suffisantes pour soutenir la formation de planètes géantes”, écrivent-ils.
Mais la théorie de l’accrétion de base n’est pas la seule théorie qui tente d’expliquer comment les planètes se forment. Son concurrent est la théorie de l’instabilité du disque. Il dit que les noyaux planétaires ne se forment pas à partir de l’accrétion de planétésimaux. Au lieu de cela, les noyaux planétaires se forment à partir de l’instabilité gravitationnelle dans le disque sous forme d’amas de fragments de matière en morceaux auto-gravitants de la taille d’une planète.
L’instabilité du disque pourrait-elle expliquer ces planètes ? Des recherches récentes montrent qu’ils le peuvent.
“Il a été démontré que des planètes géantes sont capables de se former par ce mécanisme pour des étoiles hôtes avec des masses aussi faibles que 0,1 masse solaire”, écrivent les auteurs. Une étude a même montré que les planètes géantes qui se forment autour d’étoiles de faible masse via l’instabilité du disque ont des masses élevées égales ou supérieures à 2 masses de Jupiter. Les auteurs soulignent que davantage d’observations sont nécessaires pour déterminer si l’instabilité du disque est en jeu pour les 15 planètes qu’ils ont trouvées. “Un suivi spectroscopique de nos candidats est nécessaire pour mesurer leurs masses afin de déterminer s’il s’agit de planètes massives qui auraient pu se former par instabilité gravitationnelle”, écrivent-ils.
Comment exactement les résultats de l’équipe remettent-ils en question la théorie de l’accrétion de base ?
Seule une partie de leurs résultats remet en cause l’accrétion du cœur. Tout se résume à la masse. Les résultats de l’équipe pour la gamme supérieure d’étoiles de faible masse dans leur étude sont conformes à la théorie de l’accrétion du noyau. Mais pour les étoiles dont la masse solaire est inférieure à environ 0,4, l’accrétion du noyau est laissée à désirer.
“… nos résultats pour les étoiles de masse inférieure de notre échantillon – inférieures ou égales à 0,4 masse solaire – présentent un certain conflit avec la compréhension actuelle de la formation des planètes géantes”, écrivent-ils. Il ne devrait tout simplement pas y avoir assez de masse dans le disque pour que ces planètes géantes se forment.
Les auteurs soulignent que certaines confirmations sont encore nécessaires. Certaines de leurs planètes géantes ne sont encore que des candidates. En fait, les deux tiers d’entre eux ne sont pas confirmés. La confirmation de ces candidats ne fera que renforcer les résultats des chercheurs, et ce travail est déjà en cours.
« Le travail pour obtenirces confirmations sont en cours, et au cours des prochaines années, nous espérons pouvoir améliorer nos contraintes sur les taux d’occurrence à mesure que l’effort de suivi se poursuit », concluent-ils.
L’effort de suivi impliquera la prochaine génération d’instruments spectroscopiques. Le NIRPS (Near Infra Red Planet Searcher) de l’ESO est un spectrographe infrarouge conçu pour trouver des planètes rocheuses autour des étoiles les plus froides, et ses capacités peuvent aider à confirmer des exoplanètes candidates comme celles de cette recherche.
SPIRou (SPectropolarimètre InfraROUge) est un spectropolarimètre dans le proche infrarouge qui permet d’effectuer des mesures de vitesse radiale de haute précision. SPIRou a la capacité de rechercher des exoplanètes autour d’étoiles de faible masse et d’étoiles T Tauri, et il peut également aider à confirmer ces exoplanètes.
