Lorsque les astronomes ont découvert la première exoplanète autour d'une étoile ordinaire il y a deux décennies, ils étaient à la fois joyeux et perplexes: la planète ouverte 51 Pegasus b était une fois et demie plus massive que Jupiter, mais en même temps elle était située extrêmement près de l'étoile: elle fait une révolution en seulement 4 jours, ce qui beaucoup plus rapide que Mercure, la planète la plus proche du Soleil, fait une révolution en 88 jours. Les théoriciens qui étudient la formation planétaire n'ont pas vu l'opportunité de la formation et de la croissance d'une planète à une telle proximité d'une étoile nouveau-née. C'était peut-être une exception à la règle, mais bientôt plusieurs autres Jupiters chauds ont été découverts, qui ont été rejoints par d'autres planètes étranges: sur des orbites allongées et fortement inclinées, et même en rotation dans le sens de rotation de l'étoile mère.
La chasse aux exoplanètes s'est accélérée depuis le lancement du télescope spatial Kepler en 2009, et les 2500 mondes qu'il a découverts ont ajouté des statistiques pour étudier les exoplanètes - et cela a apporté encore plus de confusion. Kepler a découvert que le type de planète le plus courant dans la galaxie se situe quelque part entre la Terre et Neptune - des super-terres qui n'ont pas d'analogues dans notre système solaire et qui étaient considérées comme presque impossibles. Les télescopes terrestres modernes captent la lumière directement des exoplanètes, au lieu de détecter leur présence indirectement, comme le fait Kepler, et ces données sont également inhabituelles. Des planètes géantes d'une masse plusieurs fois supérieure à la masse de Jupiter ont été découvertes, la distance à partir de laquelle les étoiles parentes sont deux fois la distance de Neptune au Soleil - c'est-à-dire qu'elles se trouvent dans une autre région,où les théoriciens considéraient la naissance de grandes planètes comme impossible.
«Il était évident dès le départ que les observations n'étaient pas très théoriques», explique Bruce McIntosh, physicien à l'Université de Stanford à Palo Alto, en Californie. "Il n'y a jamais eu un moment où la théorie a confirmé l'observation."
Les théoriciens essaient de créer des scénarios pour «croître» des planètes dans des endroits qui étaient autrefois considérés comme interdits. Ils prévoient que les planètes peuvent se former dans des environnements beaucoup plus mobiles et chaotiques qu'ils ne l'avaient jamais imaginé auparavant, avec des planètes naissantes dérivant d'orbites circulaires proches de l'étoile vers des orbites plus allongées et plus éloignées. Mais le zoo en constante expansion de planètes exotiques que les chercheurs observent signifie que chaque nouveau modèle est préliminaire. «Chaque jour, vous pouvez découvrir quelque chose de nouveau», déclare l'astrophysicien Thomas Henning de l'Institut d'astronomie. Max Planck à Heidelberg, Allemagne. "C'est comme découvrir de nouveaux champs pendant la ruée vers l'or."
Le modèle traditionnel de formation des étoiles et de leurs planètes remonte au 18ème siècle, lorsque les scientifiques ont suggéré qu'un nuage de poussière et de gaz à rotation lente pourrait s'effondrer sous sa propre gravité. La plupart du matériau forme une boule qui rétrécit, s'échauffe et devient une étoile lorsque son centre devient suffisamment dense et chaud pour déclencher des réactions thermonucléaires. La gravité et le moment angulaire collectent le matériau restant autour de la proto-étoile dans un disque plat de gaz et de poussière. En se déplaçant le long de ce disque, des particules de matière entrent en collision et "collent ensemble" par des forces électromagnétiques. Au cours de plusieurs millions d'années, les particules se transforment en grains, cailloux, rochers et éventuellement planétésimaux de plusieurs kilomètres.
À ce moment, la gravité prend le dessus, des collisions de planétésimaux se produisent et l'espace est complètement débarrassé de la poussière, ce qui entraîne la formation de plusieurs planètes à part entière. Au moment où cela se produit dans la partie interne du disque, la majeure partie du gaz qui en est issu est soit absorbée par l'étoile, soit emportée par son vent stellaire. Le manque de gaz signifie que les planètes intérieures restent largement rocheuses, avec des atmosphères minces.
Ce processus de croissance, connu sous le nom d'accrétion du noyau, est plus rapide dans les parties externes du disque, où les températures sont suffisamment basses pour geler l'eau. La glace dans ce cas complète la poussière, ce qui permet aux protoplanètes de se consolider plus rapidement. Le résultat est un noyau solide cinq à dix fois plus lourd que la Terre - assez rapide pour que la région externe du disque protoplanétaire reste riche en gaz. Sous l'influence de la gravité, le noyau «tire» sur lui-même le gaz du disque, créant une géante gazeuse telle que Jupiter. Incidemment, l'un des objectifs du vaisseau spatial Juno, qui s'est envolé vers Jupiter plus tôt ce mois-ci, est de déterminer si la planète a vraiment un noyau massif.
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Ce scénario crée un système planétaire similaire au nôtre: de petites planètes rocheuses avec une atmosphère mince sont proches de l'étoile; il y a une géante gazeuse comme Jupiter juste à l'extérieur de la ligne de neige (où la température est suffisamment froide pour que l'eau gèle), et d'autres géantes apparaissent progressivement à de grandes distances et elles s'avèrent être plus petites car elles se déplacent plus lentement sur leurs orbites et ont besoin de plus il est temps de collecter le matériau du disque protoplanétaire. Toutes les planètes restent à peu près là où elles se sont formées et se déplacent sur des orbites circulaires dans le même plan. Sympa et soigné.
Mais la découverte de Jupiters chauds a suggéré que quelque chose était sérieusement incompatible avec la théorie. Une planète dont l'orbite ne prend que quelques jours pour orbiter est très proche d'une étoile, ce qui limite la quantité de matière qu'elle peut former. Il semblait incompréhensible qu'une géante gazeuse puisse se former dans un tel endroit. Et la conclusion inévitable est qu'une telle planète aurait dû se former beaucoup plus loin de son étoile.
Les théoriciens ont mis au point deux mécanismes possibles pour mélanger le pont planétaire. La première, connue sous le nom de migration, nécessite beaucoup de matière pour rester sur le disque après la formation de la planète géante. La gravité de la planète déforme le disque, créant des zones de densité plus élevée, qui à leur tour exercent un effet gravitationnel sur la planète, la faisant dériver progressivement vers l'intérieur vers l'étoile.
Il existe des preuves à l'appui de cette idée. Les planètes voisines se retrouvent souvent dans un «faisceau» gravitationnel stable connu sous le nom de résonance orbitale - c'est-à-dire que les longueurs de leurs orbites sont liées comme de petits nombres entiers. Par exemple, lorsque Pluton tourne deux fois autour du Soleil, Neptune a le temps de se retourner exactement trois fois. Il est très peu probable que cela se soit produit par accident, donc cela s'est probablement produit pendant la migration, donnant ainsi aux planètes une stabilité gravitationnelle supplémentaire. La migration au début de l'histoire de notre système solaire pourrait expliquer d'autres bizarreries, notamment la petite taille de Mars et la ceinture d'astéroïdes. Pour les expliquer, les théoriciens ont proposé l'hypothèse de la "grande déviation", dans laquelle Jupiter s'est initialement formé plus près du Soleil, après quoi il a dérivé vers l'intérieur presque jusqu'à l'orbite de la Terre, collectant des matériaux et en "privant" ainsi Mars.et après la formation de Saturne, sous l'influence de la gravité et de la pression de gaz dans la région interne du disque, il est retourné en arrière, en "entraînant" les restes de poussière et de planétésimaux dans la ceinture d'astéroïdes.
Certains modélisateurs trouvent ces scénarios inutilement complexes. «Je crois vraiment au rasoir d'Occam (« Ce qui peut être fait avec moins [d'hypothèses] ne devrait pas être fait avec plus », environ Transl.)», Déclare Greg Laughlin, astronome à l'Université de Californie, Santa Cruz). Laughlin soutient que les planètes se sont très probablement formées au même endroit où nous les voyons maintenant. Il dit que de grandes planètes pourraient se former près de leur étoile si les disques protoplanétaires contiennent beaucoup plus de matière qu'on ne le pensait auparavant. Un mouvement planétaire peut encore se produire - assez pour expliquer, par exemple, les résonances, mais "c'est le dernier ajustement, pas le pipeline principal", dit Laughlin.
Mais d'autres théoriciens disent qu'il ne peut tout simplement pas y avoir assez de matériel pour former des planètes si proches des étoiles, comme 51 Pegasus b et d'autres encore plus proches. «Ils n'auraient pas pu se former à leur place», déclare catégoriquement le physicien Joshua Wynn du Massachusetts Institute of Technology. Et une proportion importante d'exoplanètes qui sont sur des orbites oblongues, inclinées ou même inversées semblent également impliquer une sorte de brassage du système planétaire.
Pour expliquer ces bizarreries, les théoriciens citent une «arme de mêlée» - la gravité, pas la migration sédative. Le disque protoplanétaire riche en matériaux pourrait créer de nombreuses planètes proches les unes des autres, où l'influence de la gravité pourrait rendre les orbites de certaines d'entre elles proches de l'étoile, inclinées et même rejeter complètement la planète hors du système. Un autre destroyer potentiel est une étoile compagnon sur une orbite oblongue. La plupart du temps, il est trop loin pour avoir un impact significatif sur le système planétaire, mais près de lui, il pourrait considérablement «mélanger» les orbites des planètes. Ou, si l'étoile parente est membre d'un amas d'étoiles soudé, l'étoile voisine peut se rapprocher suffisamment pour mélanger ses orbites ou même «saisir» une ou plusieurs planètes pour elle-même.«Il existe de nombreuses façons de détruire un système planétaire», déclare Wynn.
Une conclusion inattendue a été tirée par des chercheurs qui ont étudié les planètes trouvées par Kepler - il s'est avéré que 60% des super-terres en orbite autour d'étoiles semblables au soleil sont très différentes de ce que nous observons dans le système solaire et nécessitent de repenser les théories existantes. La plupart des super-terres, qui sont pour la plupart solides avec de petits volumes de gaz, suivent des orbites plus proches des étoiles que la Terre, et souvent les étoiles ont plus d'une planète de ce type. Par exemple, le système Kepler-80 a quatre super-terres, toutes avec des orbites de 9 jours ou moins. La théorie conventionnelle soutient que l'accrétion à l'intérieur d'une ligne de neige est trop lente pour produire quelque chose d'aussi grand. Mais les super-Terres sont rarement trouvées sur des orbites résonnantes, ce qui suggère qu'elles n'ont pas migré, mais se sont formées immédiatement là où nous les trouvons.
Les chercheurs proposent de nouvelles façons de résoudre ce problème. Une idée est d'accélérer l'accrétion en utilisant un processus connu sous le nom d'accrétion de galets. Le disque riche en gaz a un effet important sur les objets de la taille d'un galet. Cela les ralentit généralement, les forçant à se rapprocher de l'étoile. Mais plus ils sont proches de l'étoile, plus la densité est élevée et, par conséquent, le taux de formation des planétésimaux augmente avec la diminution de la distance à l'étoile. Mais l'accrétion accélérée et un disque riche en gaz posent un problème qui leur est propre: dans ce cas, les super-Terres devraient acquérir une atmosphère épaisse lorsqu'elles dépassent une certaine taille. "Comment les empêchez-vous de devenir des géantes gazeuses?" demande l'astrophysicien Roman Rafikov de l'Institute for Advanced Study de Princeton, New Jersey.
Eugene Chang, astronome à l'Université de Californie à Berkeley, affirme qu'il n'est pas nécessaire d'accélérer l'accrétion tant que le disque est saturé et riche en gaz. Selon lui, le disque interne 10 fois plus dense que celui qui a formé le système solaire pourrait facilement créer une ou plusieurs super-terres qui apparaîtront dans les derniers jours du disque protoplanétaire, alors que la majeure partie du gaz s'est déjà dissipée.
Certaines observations préliminaires du grand télescope ALMA mm / submillimétrique dans le nord du Chili appuient cette proposition. ALMA peut visualiser les émissions radio de la poussière et du gravier dans les disques protoplanétaires, et les quelques disques étudiés jusqu'à présent semblent être relativement massifs. Mais les observations ne sont pas encore la vérité ultime, car ALMA n'est pas encore pleinement opérationnel, et il ne peut être utilisé que pour observer les parties extérieures des disques, et non les régions où se trouvent les super-terres. «Nous pourrons voir les zones intérieures lorsque ALMA pourra utiliser la totalité de ses 66 antennes», déclare Chang.
Chang a également une explication pour l'autre découverte de Kepler: les superpuffs, un type rare et tout aussi problématique de planètes qui sont plus légères que les super-Terres mais qui semblent énormes en raison de leur atmosphère luxuriante représentant 20% de leur masse. On pense que de telles planètes se forment dans un disque riche en gaz. Mais dans le disque interne, un tel volume de gaz chaud ne peut pas être retenu par les forces de faible gravité de la protoplanète, de sorte que le gaz froid et dense du disque externe est un endroit plus probable pour l'origine de telles planètes. Chang attribue leurs orbites proches des étoiles à la migration, une affirmation étayée par le fait que les superpuffs sont souvent trouvés piégés dans des orbites résonnantes.
Jusqu'à présent, la plupart de l'attention dans la recherche sur les exoplanètes s'est concentrée sur les parties internes des systèmes planétaires, jusqu'à environ une distance équivalente à l'orbite de Jupiter, pour la simple raison que toutes les méthodes existantes de détection des exoplanètes ne permettent pas de les trouver à des distances plus éloignées de l'étoile. Deux méthodes principales - mesurer les vibrations des étoiles causées par l'influence gravitationnelle des planètes et mesurer l'assombrissement périodique du disque d'une étoile lors du passage des planètes - permettent de trouver de grandes planètes sur des orbites proches. Capturer des images des planètes elles-mêmes est extrêmement difficile car leur faible lumière est presque noyée par la lumière de leurs étoiles, qui peut être un milliard de fois plus brillante.
Mais en tirant le meilleur parti des plus grands télescopes du monde, les astronomes ont pu voir plusieurs planètes. Le système spectropolarimétrique à contraste élevé (SPHERE) et le Twin Planet Imager (GPI), ajoutés aux grands télescopes au Chili, sont équipés de masques sophistiqués appelés coronographes pour bloquer la lumière des étoiles. Par conséquent, il n'est pas surprenant que les planètes éloignées de leurs étoiles soient les cibles les plus faciles pour elles.
L'un des systèmes planétaires les plus anciens et les plus frappants découverts par imagerie directe est celui autour de HR 8799, où quatre planètes sont situées de l'étoile à des distances de l'orbite de Saturne à plus de deux fois l'orbite de Neptune. La chose la plus étonnante est que les quatre planètes sont énormes, plus de cinq fois la masse de Jupiter. Selon la théorie, les planètes sur des orbites aussi éloignées se déplacent si lentement qu'elles devraient croître à la vitesse d'un escargot et accumuler des masses, nettement inférieures à celles de Jupiter au moment où le disque de gaz et de poussière disparaît. Et pourtant, leurs «bonnes» orbites circulaires suggèrent qu'elles se sont formées immédiatement sur elles, et qu'elles n'ont pas migré vers elles depuis des régions plus proches de l'étoile.
Ces géants lointains soutiennent la théorie la plus radicale, dans laquelle certaines planètes ne sont pas formées par accrétion, mais par la soi-disant instabilité gravitationnelle. Ce processus nécessite un disque protoplanétaire riche en gaz qui se brise en «amas» sous sa propre gravité. Ces accumulations de gaz finissent par se combiner et s'effondrer en planètes gazeuses sans former un noyau solide. Les modèles supposent que le mécanisme ne fonctionnera que dans certaines circonstances: le gaz doit être froid, il ne doit pas tourner trop vite et le gaz comprimé doit pouvoir évacuer efficacement la chaleur. Cette théorie pourrait-elle expliquer les planètes autour de HR 8799? Rafikov dit que seules les deux planètes extérieures sont suffisamment éloignées et froides. «C'est toujours un système assez cryptique», dit-il.
Dans le passé, les observations par radiotélescope de disques protoplanétaires ont fourni un certain soutien à la théorie de l'instabilité gravitationnelle. Sensibles aux gaz froids, les télescopes ont trouvé des disques "éclaboussés" d'accumulations de gaz. Mais les dernières images d'ALMA brossent un tableau différent. ALMA est sensible à des longueurs d'onde plus courtes, dans lesquelles des grains de poussière émettent dans le plan médian du disque, et ses images des étoiles HL Tauri en 2014 et TW Hydrae cette année ont montré des disques symétriques lisses avec des «trous» circulaires sombres s'étendant bien au-delà l'orbite de Neptune (voir figure ci-dessous). «C'était une surprise incroyable. Le disque n'était pas chaotique, il avait une structure agréable, régulière et belle », explique Rafikov. Ces lacunes, évocatrices des planètes qui les ont créées,parler clairement en faveur du modèle d'accrétion, qui est un coup dur pour les partisans du modèle d'instabilité gravitationnelle.
Il est trop tôt pour dire quelles autres surprises auront GPI et SPHERE. Mais la région entre les régions éloignées des systèmes planétaires et les environs proches des étoiles avec des Jupiters chauds et des super-terres reste obstinément hors de portée: trop proche de l'étoile pour une visualisation directe, et trop loin pour des méthodes indirectes basées sur des oscillations ou un assombrissement de l'étoile mère. En conséquence, il est difficile pour les théoriciens d'avoir une image complète de ce à quoi ressemblent les systèmes exoplanétaires. «Nous nous basons sur des observations fragmentaires et incomplètes», dit Laughlin. "Pour le moment, toutes les hypothèses sont probablement fausses."
Les astronomes n'auront pas à attendre longtemps pour de nouvelles données. La NASA lancera l'année prochaine le satellite d'imagerie des exoplanètes (TESS), date à laquelle l'Agence spatiale européenne (ESA) devrait également lancer un satellite de caractérisation des exoplanètes (CHEOPS). Contrairement à Kepler, qui a exploré une grande variété d'étoiles simplement pour identifier les exoplanètes, TESS et CHEOPS se concentreront sur les étoiles proches du Soleil, permettant aux chercheurs d'étudier la terra incognita migratrice (terres inconnues - environ Transl.). Et comme les étoiles cibles sont proches du système solaire, les télescopes au sol devraient être en mesure d'estimer la masse des planètes découvertes, permettant aux chercheurs de calculer leurs densités et de savoir si elles sont solides ou gazeuses.
Le télescope James Webb, qui sera lancé cette année, pourra aller encore plus loin en analysant la lumière d'une étoile qui traverse l'atmosphère de l'exoplanète pour déterminer sa composition. «La composition est une clé importante de la mise en forme», déclare Macintosh. Par exemple, une recherche d'éléments lourds dans les atmosphères super-terrestres peut indiquer qu'un disque riche en ces éléments est nécessaire pour la formation rapide de noyaux planétaires. Et dans la prochaine décennie, des engins spatiaux comme TESS et CHEOPS se joindront à la chasse aux exoplanètes, avec une nouvelle génération d'énormes télescopes au sol avec des miroirs de 30 mètres ou plus de diamètre.
Si les anciennes théories jusqu'à la dernière ont aidé les modélisateurs à se tenir fermement debout, alors sous la pression de nouvelles découvertes, cette fondation commence à s'effriter et les chercheurs devront transpirer pour rester debout. «La nature est plus intelligente que nos théories», déclare Rafikov.
EGOR MOROZOV
