Découverte d’une « super-Terre » presque aussi âgée que l’Univers

exoplanète ancienne
Vue d’artiste de TOI-561, l'un des systèmes planétaires les plus anciens de la Voie lactée. | Observatoire WM Keck/Adam Makarenko

Des astronomes de l’Université de Californie, à Riverside, ont découvert trois exoplanètes en orbite autour de l’étoile TOI-561, une naine orange située à 280 années-lumière, l’une des étoiles les plus anciennes de notre galaxie. L’une de ces exoplanètes, nommée TOI-561 b, est de type tellurique et de taille équivalente à 1,5 fois celle de la Terre. Elle gravite autour de son étoile en moins d’une demi-journée !

Les planètes de type super-Terre intéressent les scientifiques du fait de leur potentielle habitabilité. Cependant, même si cette exoplanète est rocheuse, sa période orbitale relativement courte suggère qu’elle est bien trop proche de son étoile pour accueillir la vie : la température à sa surface devrait avoisiner les 2480 K, et un océan de magma siège sans aucun doute sur la face exposée à la lumière stellaire.

Le système de TOI-561 mérite toutefois toute l’attention des astronomes, car c’est l’un des plus anciens jamais observé. Son âge est estimé à environ 10 milliards d’années, soit à peine plus jeune que l’Univers. Pour comparaison, notre système solaire est quant à lui âgé de 4,5 milliards d’années environ. Par conséquent, les scientifiques détiennent la preuve que les exoplanètes rocheuses peuvent demeurer stables très longtemps.

Une super-Terre trois fois plus massive

Les trois planètes, nommées TOI-561 b, TOI-561 c et TOI-561 d, ont été identifiées grâce au Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), un télescope spatial de la NASA lancé en 2018, dédié à la recherche d’exoplanètes proches. L’engin détecte la présence d’exoplanètes via la méthode dite du transit ; le principe est d’observer une étoile et de détecter d’éventuelles variations de luminosité suggérant qu’une planète passe au-devant (entre l’instrument d’observation et l’étoile).

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À partir des données récoltées, les astronomes ont pu déterminer les périodes orbitales et les tailles des trois exoplanètes détectées. La plus externe, TOI-561 d, fait environ 2,3 fois la taille de la Terre ; sa période orbitale est estimée à 16,3 jours. La planète TOI-561 c, la plus grosse, a une taille équivalente à 2,9 fois celle de la Terre ; sa période orbitale est de 10,8 jours. Enfin, la taille de TOI-561 b est évaluée à 1,45 fois celle de la Terre et cette planète fait le tour de son étoile en un peu plus de 10,5 heures.

En mesurant les vitesses radiales de chacune des planètes, les scientifiques ont également pu estimer leurs masses. En effet, il faut savoir que lorsque des planètes gravitent autour d’une étoile, chacune exerce sa propre attraction gravitationnelle sur l’étoile en question, entraînant de légers mouvements de celle-ci ; notre soleil, par exemple, n’est pas complètement immobile : il bouge très légèrement de par l’attraction produite par les planètes du Système solaire.

Par conséquent, lors des observations, la lumière de l’étoile est comprimée ou étirée à mesure qu’elle se rapproche ou s’éloigne du point d’observation. Ainsi, en étudiant le déplacement de l’étoile inhérent au « tiraillement » gravitationnel d’une exoplanète et connaissant la masse de l’étoile, il est possible d’en déduire la masse de l’exoplanète. Les chercheurs ont ainsi calculé que la masse de TOI-561 b est égale à environ trois fois celle de la Terre.

Un nouvel indice pour la recherche d’autres formes de vie

Sa densité en revanche, reste similaire à celle de notre planète, soit environ 5g/cm3. Un résultat surprenant pour les astrophysiciens, qui s’attendaient à une densité plus élevée. Toutefois, le chiffre est cohérent avec l’âge présumé de la planète. En effet, les éléments les plus lourds de l’Univers — des métaux plus lourds que le fer — sont créés au cœur des étoiles, par des réactions de fusion à mesure qu’elles vieillissent. Ainsi, ce n’est que lorsque les étoiles meurent et explosent que leurs éléments se répandent dans l’espace, où ils peuvent servir à former d’autres objets. C’est la raison pour laquelle les étoiles les plus anciennes de l’Univers, telles que TOI-561, sont pauvres en métaux : il n’y avait que très peu d’éléments lourds disponibles à l’époque.

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Or, des recherches menées il y a quelques années ont montré qu’il existait une limite minimum de métallicité permettant la formation des planètes : des éléments lourds — moins susceptibles d’être évaporés par le rayonnement stellaire — sont nécessaires pour former les premiers grains de poussière dans le disque circumstellaire, qui finiront par s’agglutiner pour former les planétésimaux à partir desquels s’assemblent les noyaux planétaires.

L’existence de TOI-561 b constitue donc une preuve que des planètes rocheuses se sont formées quasiment dès les prémices de l’Univers, il a 14 milliards d’années. Trouver des planètes comme celle-ci permet aux scientifiques d’affiner leurs modèles de formation des planètes, et ainsi localiser des exoplanètes rocheuses plus anciennes. En d’autres termes, cette découverte peut aider les astronomes dans leur recherche d’autres mondes habitables. « [TOI-561 b] pourrait être le signe avant-coureur de nombreux mondes rocheux encore à découvrir autour des plus anciennes étoiles de notre galaxie », confirme l’astrophysicien Stephen Kane, qui a participé à la découverte.

La Terre est âgée d’environ 4,5 milliards d’années et les premières traces de vie (microbienne) sur notre planète remontent à environ 3,5 milliards d’années, d’après les recherches menées par une équipe de biologistes australiens en 2017. Si l’on en croit les nombreux fossiles découverts, les vertébrés ne sont quant à eux apparus qu’il y a 500 millions d’années environ. L’émergence de formes de vie complexes prend donc un certain temps et sur la base de ce constat, les planètes anciennes et stables sont les plus susceptibles d’héberger des formes de vie évoluées.

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Source : The Astronomical Journal, L. Weiss et al.

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