Des études récentes révèlent que certaines exoplanètes subissent une diminution de taille, un phénomène qui défie les théories actuelles de formation planétaire. Les données de la NASA suggèrent, selon une nouvelle étude, qu’une perte de masse centrée sur le noyau pourrait expliquer cette contraction.
Les exoplanètes sont de tailles variées, des petites planètes terrestres rocheuses jusqu’aux géantes gazeuses. Au milieu se trouvent des super-Terres rocheuses dont le diamètre fait jusqu’à 1,6 fois celui de notre planète et des sous-neptuniennes, qui sont environ 2 à 4 fois plus grandes. Mais il y a une absence flagrante : les planètes entre 1,6 et 2 fois la taille de la Terre, soit entre les super-Terres et les sous-neptuniennes.
Ce constat, souligné par Jessie Christiansen de Caltech, qui a dirigé l’équipe de recherche, suggère que cet écart de taille s’expliquerait, pour certaines sous-neptuniennes par la perte de leur atmosphère au fil du temps. N’ayant pas suffisamment de masse, et donc de force gravitationnelle, elles ne retiennent pas leur atmosphère. Elles se réduiraient alors à peu près à la taille des super-Terres, laissant un écart entre les deux tailles de planètes.
Mais la manière exacte dont ces planètes perdent leur atmosphère reste un mystère. Dans leurs travaux, publiés dans la revue The Astronomical Journal, Christiansen et son équipe ont retenu deux mécanismes potentiels : la perte de masse centrée sur le noyau et la photo-évaporation.
Une perte de masse centrée sur le noyau
L’hypothèse de la « perte de masse centrée sur le noyau » est actuellement la principale explication pour le rétrécissement de certaines exoplanètes. Le rayonnement intense émis par le noyau interne chaud de la planète aurait pour effet de repousser progressivement son atmosphère, entraînant une diminution de sa taille globale. Ce processus est envisagé comme une sorte de force interne qui pousse l’atmosphère vers l’extérieur, réduisant ainsi la masse atmosphérique.
Cette hypothèse a été renforcée par les observations réalisées lors de la mission K2 de la NASA, une extension de la mission du télescope spatial Kepler. K2 a examiné les amas d’étoiles Praesepe et Hyades, âgés de 600 à 800 millions d’années, une période considérée comme relativement jeune dans la vie d’une étoile et de ses planètes. Les données recueillies ont montré que les planètes situées dans ces amas stellaires jeunes ont tendance à conserver leur atmosphère. La perte de masse centrée sur le noyau se déroule donc sur des échelles de temps plus longues.
La photo-évaporation, hypothèse alternative
La photo-évaporation est une autre hypothèse considérée pour expliquer la réduction de taille des exoplanètes. Elle se concentre sur l’impact du rayonnement stellaire sur l’atmosphère d’une planète : le rayonnement intense émis par l’étoile hôte d’une planète peut avoir un effet suffisamment puissant pour éroder ou même dissiper complètement l’atmosphère de ladite planète. Ce processus serait particulièrement intense pour les planètes situées à proximité de leur étoile, où l’exposition au rayonnement est la plus forte.
Cependant, la photo-évaporation présente certaines limites temporelles qui la rendent moins probable comme explication globale à la réduction de taille observée. Cette hypothèse suggère que la perte d’atmosphère due à la photo-évaporation se produirait principalement dans les premiers 100 millions d’années de la vie d’une planète. Pendant cette période, l’étoile hôte est très active, émettant des niveaux élevés de rayonnement ultraviolet et de vent stellaire, qui sont les principaux moteurs de la photo-évaporation.
En comparaison, la perte de masse centrée sur le noyau, l’hypothèse concurrente susmentionnée est envisagée comme un processus qui se déroulerait beaucoup plus tard dans la vie d’une planète, potentiellement près d’un milliard d’années après sa formation. Alors laquelle est la plus adaptée ?
Les mystères persistants de la perte de masse planétaire
Pour estimer le potentiel de ces deux hypothèses, les données de l’étude de Christiansen sont essentielles. Si l’équipe observait un nombre élevé de sous-neptuniennes dans Praesepe et Hyades (comparé à des étoiles plus anciennes dans d’autres amas), cela indiquerait l’absence de photo-évaporation. Dans ce cas, la perte de masse centrée sur le noyau serait l’explication la plus plausible pour la réduction de taille des sous-neptuniennes au fil du temps.
Dans leur observation, les chercheurs ont constaté que presque toutes les étoiles de ces amas possèdent encore une sous-neptunienne ou une candidate planétaire en orbite. Selon la taille de ces planètes, les scientifiques estiment qu’elles ont conservé leur atmosphère.
Cette situation contraste avec celle d’autres étoiles plus anciennes étudiées par K2 (âgées de plus de 800 millions d’années), où seulement 25% d’entre elles ont des sous-neptuniennes en orbite. L’âge plus avancé de ces étoiles correspondrait à la période où la perte de masse due au noyau est supposée se produire.
De ces observations, l’équipe, dans un communiqué, explique que la photoévaporation n’est pas un facteur correspondant à Praesepe et Hyades. Si c’était le cas, cela se serait produit des centaines de millions d’années plus tôt, et ces planètes auraient perdu une grande partie, sinon la totalité, de leur atmosphère. Cela laisse la perte de masse centrée sur le noyau comme l’explication la plus probable pour l’évolution de l’atmosphère de ces planètes.
L’équipe de Christiansen a consacré plus de cinq ans à l’élaboration du catalogue nécessaire pour cette étude. Toutefois, la recherche est loin d’être achevée, selon Christiansen, et la compréhension actuelle de la photoévaporation et de la perte de masse due au noyau pourrait encore évoluer. Ces résultats seront probablement remis en question par de futures études avant de pouvoir affirmer que le mystère de cet écart planétaire est définitivement résolu.