Découverte d’un système de six planètes en résonance presque parfaite

systeme hd158259
| ESO

Au cours des dernières décennies, des milliers d’étoiles ont été observées, et autour de certaines d’entre elles, des systèmes planétaires. Ainsi, plus de 3000 systèmes planétaires ont été identifiés depuis les années 1990. Si chacun de ces systèmes présente des caractéristiques dignes d’intérêt, celui de l’étoile HD 158259, située à 88 années-lumière, sort définitivement du lot. En effet, des observations effectuées par le spectrographe SOPHIE et le télescope TESS ont permis aux astrophysiciens d’identifier une résonance presque parfaite pour les six planètes constituant ce système planétaire.

L’étoile elle-même est à peu près de même masse et un peu plus grande que le Soleil. Elle est orbitée par six planètes : une super-Terre et cinq mini-Neptunes. Après l’avoir observé pendant sept ans, les astronomes ont découvert les six planètes étaient en orbite autour de HD 158259 avec une résonance orbitale presque parfaite. Cette découverte pourrait nous aider à mieux comprendre les mécanismes de formation des systèmes planétaires et l’origine de leur configuration.

La résonance orbitale est le phénomène par lequel les orbites de deux corps autour de leur corps parent sont étroitement liées, car les deux corps en orbite exercent une influence gravitationnelle l’un sur l’autre. Dans le Système solaire, cela est plutôt rare pour les corps planétaires ; le meilleur exemple est probablement le duo Pluton/Neptune. Ces deux corps sont dans ce qui est décrit comme une résonance orbitale 2:3. Pour tous les deux tours que Pluton fait autour du Soleil, Neptune en fait trois.

Un système planétaire caractérisé par une résonance orbitale quasi parfaite

Des résonances orbitales ont également été identifiées dans les exoplanètes. Mais chaque planète en orbite autour de HD 158259 est dans une résonance de près de 3:2 avec la planète suivante, équivalent à un ratio périodique de 1.5. Cela signifie que pour toutes les trois orbites que boucle chaque planète, la suivante en termine deux.

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orbites planetes
Vitesses radiales de chaque planète. De gauche à droite et de haut en bas : 2.17, 3.43, 5.19, 7.95, 12.0, et 17.4 jours. Crédits : N. C. Hara et al. 2020

À l’aide de mesures effectuées par le spectrographe SOPHIE et du télescope spatial TESS, une équipe internationale de chercheurs dirigée par l’astronome Nathan Hara de l’Université de Genève, en Suisse, a pu calculer avec précision les orbites de chaque planète. Elles sont toutes très étroites. De la planète la plus près de l’étoile — la super-Terre — jusqu’à la plus éloignée, les orbites sont respectivement de 2.17, 3.4, 5.2, 7.9, 12 et 17.4 jours.

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Configuration du système planétaire estimé à partir des vitesses radiales de chaque planète. Crédits : N. C. Hara et al. 2020
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Celles-ci produisent des ratios périodiques de 1.57, 1.51, 1.53, 1.51 et 1.44 entre chaque paire de planètes. Ce n’est pas une résonance tout à fait parfaite — mais elle est suffisamment proche de la perfection pour faire de ce système planétaire un système de grand intérêt. Et cette résonance, selon les chercheurs, indique que les planètes en orbite autour de l’étoile ne se sont pas formées là où elles évoluent actuellement.

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Mieux comprendre le mécanisme de formation des systèmes planétaires en résonance

« Plusieurs systèmes compacts avec plusieurs planètes en résonance, ou presque, sont connus, tels que TRAPPIST-1 ou Kepler-80. De tels systèmes sont censés se former loin de l’étoile avant de migrer vers elle. Dans ce scénario, les résonances jouent un rôle crucial », explique l’astronome Stéphane Udry de l’Université de Genève.

Les chercheurs pensent que ces résonances se produisent lorsque des embryons planétaires dans le disque protoplanétaire se développent et migrent vers l’intérieur, loin du bord extérieur du disque. Cela produit une chaîne de résonance orbitale dans tout le système. Ensuite, une fois que le gaz restant du disque se dissipe, cela peut déstabiliser les résonances orbitales — et cela pourrait être le cas avec le système de HD 158259.

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Et ces minuscules différences dans les résonances orbitales pourraient nous en dire plus sur la façon dont cette déstabilisation se produit. « La valeur des ratios périodique provenant de 3:2 contient une mine d’informations. Avec ces valeurs d’une part, et les modèles d’effet de marée d’autre part, nous pourrions contraindre la structure interne des planètes dans une future étude. En résumé, l’état actuel du système nous donne une fenêtre sur sa formation », conclut Hara.

Sources : Astronomy & Astrophysics

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