Une géante non gazeuse d’une masse 73 fois supérieure à celle de la Terre déconcerte ses découvreurs – Ars Technica

Les scientifiques travaillaient sur des modèles de formation des planètes bien avant que nous connaissions l’existence des exoplanètes. Ces modèles étaient à l’origine guidés par les propriétés des planètes de notre système solaire et se sont révélés remarquablement efficaces pour prendre en compte les exoplanètes qui n’ont pas d’équivalent dans notre système solaire, comme les super-Terres et les chaudes Neptunes. Ajoutez à cela la capacité des planètes à se déplacer grâce aux interactions gravitationnelles, et les propriétés des exoplanètes peuvent généralement être prises en compte.

Aujourd’hui, une grande équipe internationale de chercheurs annonce la découverte de quelque chose que nos modèles ne peuvent pas expliquer. Elle a à peu près la taille de Neptune, mais elle est environ quatre fois plus grande. Sa densité – bien supérieure à celle du fer – correspond au fait que la planète entière est presque entièrement solide ou qu’elle possède un océan suffisamment profond pour submerger des planètes entières. Même si les personnes qui l’ont découvert proposent deux théories quant à sa formation, aucune n’est particulièrement probable.

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L’étude de la nouvelle planète a commencé comme beaucoup le font aujourd’hui : elle a été identifiée comme objet d’intérêt par le satellite Transiting Exoplanet Survey (TOI, pour TESS Object of Interest). TOI-1853 est une étoile légèrement plus petite que notre Soleil, avec une masse d’environ 0,8 fois. Il y avait des indications claires d’une planète proche, maintenant appelée TOI-1853 b. La planète orbite près de son étoile hôte, complétant une orbite complète en 1,24 jours.

Les chercheurs ont utilisé ce temps pour déterminer la distance autour de laquelle la planète tournait. En combinant cette distance, la taille de l’étoile et la quantité de lumière bloquée par la planète, il est possible d’estimer la taille de la planète. Il s’avère que cela représente environ 3,5 fois le rayon de la Terre, ce qui signifie qu’il n’est que légèrement plus petit que celui de Neptune.

En soi, cela n’est pas inhabituel. De nombreuses planètes de la taille de Neptune ont été découvertes. Mais la combinaison de taille et de proximité avec l’étoile est inattendue. Il la place dans ce qu’on appelle le « désert chaud de Neptune », où le rayonnement intense de l’étoile jaillit de l’atmosphère de la planète. Les Neptunes qui atteignent l’état chaud du désert finissent par les dépouiller de leur noyau rocheux, ce qui en fait des super-Terres.

Alors que faisait TOI-1853 b dans le désert ? Pour le savoir, les chercheurs ont utilisé des observatoires au sol pour suivre le mouvement de son étoile hôte alors que l’attraction gravitationnelle de TOI-1853 b changeait à mesure qu’elle se déplaçait sur son orbite. L’accélération du mouvement de l’étoile provoquée par ce nuage peut être utilisée pour estimer la masse de la planète.

Il s’avère que TOI-1853 b a beaucoup à partir du bloc. Sa masse est estimée à 73 fois celle de la Terre, soit plus de quatre fois celle de Neptune. Cela signifie évidemment que sa composition doit être très différente de celle de Neptune.

Croustillant à l’intérieur comme à l’extérieur ?

Les chercheurs impliqués dans sa découverte consacrent pas mal de textes à décrire à quel point ce qui rend TOI-1853 b est étrange. Il existe des planètes de densité similaire, mais généralement beaucoup plus petites, qui sont des super-Terres formées en retirant de son atmosphère une planète semblable à Neptune. Il existe des planètes avec des masses similaires, mais environ deux fois plus massives, qui auraient probablement de vastes atmosphères et/ou océans. « Il occupe une région de l’amas orbital [distance] Les chercheurs ont conclu que « la zone des planètes chaudes qui était auparavant dépourvue de corps correspond à la région la plus sèche du désert chaud de Neptune ».

Les bizarreries ne s’arrêtent pas là. Deux combinaisons ont du sens compte tenu des densités en jeu ici. La première est que la planète est presque entièrement constituée de matériaux rocheux comme la Terre, avec une atmosphère très mince représentant au maximum un pour cent de sa masse. L’alternative est que la masse soit répartie uniformément entre le noyau rocheux et une énorme couche d’eau.

Bien sûr, ce ne sera pas de l’eau telle que nous la connaissons. En raison de sa proximité avec son étoile hôte et des énormes pressions exercées par ce grand océan, au moins une partie de cette eau serait dans un état supercritique, et la pression près du noyau rocheux forcerait l’eau à former des solides à haute pression. Les choses seront tout aussi étranges à l’intérieur du cœur. Comme le notent les chercheurs, « les propriétés de la matière à des pressions centrales aussi élevées restent incertaines ».

Non seulement nous avons du mal à comprendre son présent, mais nous sommes également perdus lorsqu’il s’agit de son passé. Les petites particules de poussière du disque formant planète cesseront de s’accumuler avant que TOI-1853 b n’atteigne sa masse actuelle, car même une planète plus petite pourrait perturber le disque. Il est peu probable qu’il se soit formé à son emplacement actuel, étant donné que les solides ont du mal à s’y condenser.

Deux possibilités, peu probables

Les chercheurs suggèrent deux possibilités. La première est qu’un groupe de planètes mineures se sont formées plus loin et ont ensuite déstabilisé leurs orbites à mesure que le disque s’évaporait progressivement. Cela aurait pu conduire à des collisions qui ont fait voler en éclats de nombreuses planètes, qui ont alors vu leurs débris former un seul corps. Mais ces processus ne tendent pas à former des corps uniques, et il faudrait probablement de nombreuses planètes pour transporter l’équivalent de 73 Terres de matière.

L’alternative est que plusieurs géantes gazeuses se sont formées beaucoup plus loin et ont ensuite déstabilisé leurs orbites respectives, laissant l’une d’elles très excentrique, avec une partie de l’orbite extrêmement proche de l’étoile hôte. Cela lui permettrait de collecter des matériaux provenant des parties internes du disque formant la planète, un processus qui pourrait permettre à une planète semblable à Jupiter de presque doubler sa masse. Son orbite maximale lui permettrait également de transférer son atmosphère vers l’étoile. Une fois ces processus terminés, les interactions de marée entre la planète et l’étoile finiront par rendre son orbite plus régulière.

Il n’y a rien de physiquement impossible dans aucun de ces mécanismes de formation possibles, mais tous deux nécessitent une série d’événements inattendus. L’univers est grand et il est possible que ces choses se produisent quelque part, mais il semble déraisonnable de s’attendre à ce que nous découvrions leurs conséquences si rapidement.

La seule chose qui pourrait nous aider à comprendre l’origine de TOI-1853 b est la présence d’autres planètes dans le système, ce qui pourrait nous aider à comprendre ce qui se passait dans les parties internes de ce système externe. TOI-1853 b est si grande et si proche qu’elle émet un signal massif, et nous aurions eu du mal à détecter d’autres planètes dans ce système. Les chercheurs estiment qu’un objet aussi massif que 10 Terres pourrait également être en orbite près de l’étoile, ce que nous avions manqué. Une rétroaction continue peut être la clé pour comprendre le système.

Nature, 2023. DOI : 10.1038/s41586-023-06499-2 (à propos des identifiants numériques).