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Détection d’une planète de masse terrestre voyageant seule dans la Voie lactée

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| NASA

Lorsqu’une planète se forme au sein d’un système planétaire, elle est tout d’abord liée gravitationnellement à son étoile et aux autres planètes voisines. Cependant, cela ne signifie pas qu’elle restera toute son existence dans l’étreinte de ce système. Parfois, lors d’un événement chaotique, cette planète est éjectée de son système, sort de l’attraction gravitationnelle de son étoile et devient ce que les astrophysiciens appellent une planète errante. Et récemment, des chercheurs ont découvert une telle planète de masse terrestre errant dans la Voie lactée dans des conditions extrêmes d’observation.

Détecter quelque chose dans l’espace lointain qui n’émet aucune lumière propre est extrêmement difficile. Mais c’est exactement ce que font deux missions d’observation. Il s’agit de la collaboration OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) et de la collaboration KMTN (Korean Microlensing Telescope Network).

Une équipe de chercheurs des deux groupes a annoncé la découverte d’une planète errante de faible masse. Il n’y a pas d’étoiles à proximité et sa distance par rapport à la Terre n’est pas confirmée. L’équipe affirme que cela prouve que la technique de microlentille est efficace pour trouver des planètes de masse terrestre qui flottent librement dans l’espace.

Des planètes éjectées hors de leur système planétaire pour diverses raisons

Les astronomes pensent que dans les premiers jours d’un système solaire, certaines planètes de faible masse seront éjectées de l’emprise gravitationnelle de l’étoile. Les choses peuvent être chaotiques dans les premiers jours, et les interactions gravitationnelles entre l’étoile et toutes les planètes peuvent parfois éjecter de petites planètes dans l’espace.

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« Selon les théories de la formation des planètes, telles que la théorie de l’accrétion du noyau, les masses typiques des planètes éjectées devraient être comprises entre 0.3 et 1 masse terrestre », écrivent les auteurs. Trouver ces minuscules corps dans la vaste obscurité de l’espace nécessite une approche innovante : les lentille gravitationnelles.

planète errante éjectée système planétaire
Une planète peut être éjectée de son système initial pour différentes raisons, allant de la dispersion planète-planète aux survols stellaires . Crédits : NASA

Au cours des deux dernières décennies, la connaissance des exoplanètes a explosé. Nous en connaissons maintenant des milliers et nous nous attendons à ce que presque toutes les étoiles hébergent des planètes. Toutes ces connaissances ont conduit à des théories et des modèles actualisés de la formation des planètes et du Système solaire. Et ces modèles montrent qu’il devrait y avoir beaucoup de planètes errantes qui ont été éjectées de leurs systèmes.

Les travaux théoriques montrent qu’il pourrait y avoir des milliards, voire des milliers de milliards, de planètes flottant librement dans la Voie lactée. Dans leur travail, les auteurs énumèrent les façons dont ces planètes peuvent devenir orphelines : dispersion planète-planète ; interactions dynamiques entre planètes géantes qui conduisent à une perturbation orbitale de planètes intérieures plus petites ; interactions entre les étoiles dans les systèmes binaires et les amas d’étoiles ; survols stellaires ; et l’évolution de l’étoile hôte au-delà de la séquence principale.

Lentilles gravitationnelles : une méthode efficace pour détecter les planètes errantes

La détection par lentille gravitationnelle nécessite deux choses : une source de lumière distante, généralement une étoile, et un objet plus proche avec une masse suffisante pour agir comme une lentille et pour plier la lumière de la source. Dans ce cas, la planète de faible masse fait office de lentille. Et selon la manière dont la lumière de l’étoile lointaine est affectée par l’objet au premier plan, les astronomes peuvent en apprendre un peu plus.

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Un objet relativement petit comme une planète de faible masse ne courbe pas beaucoup la lumière. Dans leur article, les auteurs déclarent que « les événements de microlentille dus à des planètes errantes de masse terrestre devraient avoir des rayons angulaires d’Einstein extrêmement petits (0.1 µas) et des échelles de temps extrêmement courtes (0.1 jour) ». Selon les auteurs, il s’agit de « la microlentille à courte échelle la plus extrême découverte à ce jour ».

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Vidéo expliquant comment les astronomes utilisent les événements de lentilles gravitationnelles pour détecter les planètes errantes :

La microlentille offre une méthode pour trouver ces petites planètes errantes. La planète nouvellement découverte, qui a été nommée « OGLE-2016-BLG-1928 », a été détectée lors d’un événement de micro-lentille qui n’a duré que 41.5 minutes. Ce n’est pas beaucoup pour recueillir des données détaillées.

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Seules quatre autres petites planètes errantes comme celle-ci ont été découvertes auparavant, chacune au cours d’un événement de micro-lentille à courte échelle de temps. Ensemble, ces événements fournissent « des preuves solides d’une population de planètes errantes dans la Voie lactée », écrivent les auteurs. Les chercheurs ont été confrontés à une foule de difficultés non seulement pour détecter cet événement, mais aussi pour déterminer qu’il s’agissait bien d’une planète.

Planètes errantes : des objets encore difficiles à découvrir

« Comme dans le cas d’autres événements de microlentilles à courte échelle de temps, nous ne pouvons pas exclure la présence d’un compagnon stellaire éloigné ». Les chercheurs ont pu exclure tous les compagnons stellaires à une distance de seulement 8 UA. Mais de nombreuses planètes gravitent autour de leurs étoiles à des distances bien plus grandes que cela.

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Cette planète a également été trouvée «à la limite des limites actuelles de détection des événements de microlentille à courte échelle de temps ». Les auteurs disent que cela montre à quel point la recherche de ces événements est difficile. L’événement a également été détecté avec relativement peu de points de données : seulement 15 (11 provenaient de OGLE et 4 de KMTN).

graphique étoile géante rouge lentille gravitationnelle
Ce graphique montre l’étoile qui a agi comme source de lumière lors de l’événement de micro-lentille. Les points rouges marquent les étoiles géantes rouges dans le bulbe galactique et les points bleus représentent les étoiles de la séquence principale dans le disque galactique. Les données de Gaia indiquent que l’étoile source est une géante rouge dans le bulbe galactique. Crédits : Mroz et al, 2020

Le petit nombre de points de données dans la détection signifie que « la partie en déclin de la courbe de lumière n’est pas entièrement couverte par les observations ». Ce manque de données signifie qu’il existe une certaine incertitude quant à la nature de l’événement de microlentille, et une certaine incertitude autour du fait qu’il s’agit en fait d’une planète. Une partie de cette incertitude provient de l’étoile de fond elle-même.

« L’étoile source est située dans la branche géante rouge dans le diagramme couleur-magnitude, et certaines géantes sont connues pour produire des éruptions stellaires. Cependant, les propriétés de l’événement (sa durée, son amplitude et la forme de la courbe de lumière) ne correspondent pas à celles des étoiles éruptives ».

À l’avenir, le télescope spatial romain Nancy Grace aidera à la recherche de planètes errantes. Il a plusieurs missions, mais une partie de son travail consiste également à trouver des planètes errantes flottantes aussi petites que Mars. Le télescope spatial ultra-puissant effectuera une vaste étude par microlentilles pour trouver davantage de ces planètes. Ses découvertes nous aideront à mieux comprendre comment notre propre système solaire se compare aux autres.

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Sources : arXiv

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