A-t-on découvert la première exoplanète à anneaux ?

Dans la constellation du Cancer, HIP 41378 f pourrait posséder des anneaux, se présentant à nous par le dessus. Crédit : O.Hodasava/C&E
Découverte en 2015 grâce au satellite Kepler, l’exoplanète HIP 41378 f présente une densité anormale, de moins d’un dixième de celle de l’eau. Une nouvelle analyse révèle qu’elle est en réalité probablement plus dense et plus petite, mais entourée d’anneaux.

A-t-on enfin déniché à 350 années-lumière de nous, dans la constellation du Cancer, la toute première exoplanète entourée d’anneaux ? Saturne a-t-elle désormais un alter ego parmi les 4000 planètes extrasolaires détectées à ce jour ? Babatunde Akinsanmi ne crie pas encore à la découverte, mais il y a fort à parier que l’on entendra bientôt reparler de HIP 41378 f… L’astrophysicien nigérian et ses collègues européens ont réanalysé les observations de l’exoplanète effectués par le satellite Kepler.

Tandis que depuis sa découverte en 2015 on estimait sa taille à 9 fois le diamètre de la Terre (ce qui, compte tenu de ses 12 masses terrestres, lui conférait la densité ridicule de 0,09 g/cm3, soit moins d’un dixième de l’eau), HIP 41378 f pourrait être en réalité deux à trois fois plus petite, mais entourée de majestueux anneaux ! Avec une densité de 1,23 g/cm3, elle ressemblerait finalement à un croisement entre Uranus et Saturne.

Deux explications pour une planète étrange

« Les planètes de très basse densité, que l’on nomme “super-puffs” [ “super-enflées”, NDLR], sont de bonnes candidates pour la recherche d’anneaux par notre méthode », explique Babatunde Akinsanmi. Comptant dix membres à peine, mais en pleine croissance, cette famille exotique rassemble les exoplanètes inférieures à 15 masses terrestres, dont la taille apparente est si grande que leur densité est plus faible qu’un tiers de celle de l’eau. Cette densité anormale pourrait être un artefact dû à une surestimation de leur rayon provoquée par la présence d’un anneau, selon les astrophysiciens.

Il n’y aucun raison pour que les superbes anneaux de Saturne soient uniques. HIP 41378 f en possède-t-elle aussi ? © Nasa

Pour savoir si c’est le cas de HIP 41378 f, « nous avons utilisé une méthode bayésienne » reprend le chercheur nigérian. Il s’agit d’une méthode statistique qui, à partir d’un même jeu de données (en l’occurrence des observations de Kepler en 2015 et 2018), permet de comparer la probabilité de différents modèles, moyennant quelques hypothèses. Ici, les chercheurs ont supposé que la taille réelle de l’exoplanète était comprise entre 2 et 12 rayons terrestres. Puis, sur la foi de ce que l’on observe dans le Système solaire, que ses hypothétiques anneaux pouvaient s’étendre, au maximum, depuis la surface de la planète jusqu’à 2 fois son rayon. Compte tenu de la distance de HIP 41378 f à son étoile — 1,4 UA, celle-ci étant à environ 6000°C —, ils ont enfin fait l’hypothèse que les anneaux étaient constitués d’un matériau plus dense que l’eau.

Résultat : au vu des observations de Kepler, le portrait de HIP 41378 f en planète à anneaux est en fait tout aussi probable que celui d’une planète bouffie ! Avec une taille de 3,7 diamètres terrestres au lieu de 9, des anneaux très proches s’étendant de 0,05 à 1,6 rayon planétaire au-dessus de la surface – inclinés de 25° sur le plan du ciel, ce qui conduit à penser que la planète « roule » sur son orbite comme Uranus –, il s’agirait d’une très belle exoplanète.

Anneaux pour planètes éloignées

Bien sûr, les astrophysiciens n’ont pas attendu l’apparition des « super-puffs » pour se lancer dans la recherche d’exoplanètes à anneaux. Celle-ci a en fait débuté il y a longtemps, au début des années 2000, peu de temps après les premiers succès de la détection d’exoplanètes par la « méthode des transits ». Cette méthode consiste à mesurer la baisse d’éclat d’une étoile lorsqu’une de ses planètes s’intercale entre elle et nous. La baisse n’est bien sûr pas brutale : au début et à la fin du transit, elle décroît puis remonte progressivement, à mesure que le disque de la planète entre et sort du disque stellaire. Les astrophysiciens tirent quantité d’informations de cette « courbe de lumière ». En particulier, sa forme doit être différente selon qu’un anneau entoure ou non la planète. « La meilleure signature d’un anneau autour d’une planète, c’est l’anomalie dans la courbe de lumière en début et en fin de transit, causée par le vide entre la planète et l’anneau », confirme Babatunde Akinsanmi. Hélas, même lorsque l’orientation de l’anneau est la plus favorable (vu du dessus), la détection de ce petit effet est extrêmement délicate ! « Par ailleurs, il semble que les anneaux se forment de préférence autour de planètes à longue période de révolution — du moins si on s’en tient à ce qu’on observe dans le Système solaire. Or, ces planètes sont plus difficiles à détecter que les planètes à courte période », précise l’astrophysicien.

Simulation du passage de HIP 41378 f devant son étoile. © Tania Cunha/Planetário Do Porto-Ciencia Viva Centre/IA

Malgré plus d’une décennie de recherche, les planètes suspectées de posséder un anneau se comptent ainsi sur les doigts de la main d’E.T. l’extraterrestre (et sans compter son pouce !). HIP 41378 f est-elle une candidate plus sérieuse que J1407b ou KIC 10403228, qui pour l’une semble posséder un gigantesque disque transitoire de 90 millions de kilomètres, et pour l’autre tourne en 450 ans autour de son étoile ?

Des anneaux : la solution la plus crédible

Pour répondre à cette question, il faut bien sûr s’attarder sur la crédibilité de l’hypothèse alternative : HIP 41378 f peut-elle vraiment être une planète dix fois moins dense que l’eau ? « Il est possible que la planète possède un petit cœur entouré d’une atmosphère très étendue, principalement composée d’hydrogène », notent Babatunde Akinsanmi et ses collègues dans leur étude. Les super-Terre dotées d’une masse pouvant atteindre 10 masses terrestres sont capables de retenir de telles atmosphères. Et il a été calculé qu’une planète dont l’atmosphère représenterait 10 % de la masse totale aurait un rayon apparent 60 % plus grand qu’une autre qui serait entourée d’une fine atmosphère ! C’est particulièrement vrai pour les planètes de faible gravité, dont les gaz s’échappent et entraînent à très haute altitude des grains de poussière, qui rendent l’atmosphère opaque. Cependant, il n’est pas clair que ce processus fonctionne pour les planètes de plus de 10 masses terrestres, comme HIP 41378 f…

Autre manière de faire enfler une planète : la chauffer. On pense que les « Jupiter chauds », ces planètes gazeuses qui tournent en quelques jours très près de leur soleil, sont plus grosses qu’elles ne le seraient si on les éloignait. La première d’entre elles, 51 Pegasi b, est 60 % plus grande que Jupiter… mais moitié moins massive ! Mais là encore, l’explication ne vaut pas pour HIP 41378 f, dont l’orbite est beaucoup plus large…

Quant à la troisième hypothèse envisageable pour expliquer l’existence de planètes enflées, elle ne tient pas non plus. Certes, parce qu’elles sont encore chaudes de leur formation, les jeunes planètes gazeuses sont quelque peu enflées pendant leurs premiers millions d’années d’existence. Mais notre exoplanète du Cancer, elle, a déjà soufflé ses trois milliards de bougies...

Une confirmation déjà en cours ?

Pour en avoir le cœur net, il faudrait évidemment de nouvelles observations, spécifiquement conçues pour tester la présence d’anneaux. « Un satellite comme Plato [le successeur européen de Kepler, NDLR] sera très utile pour ça », souligne Babatunde Akinsanmi. Observer le transit de l’exoplanète à d’autres longueurs d’onde que le visible serait aussi extrêmement intéressant. « Il se pourrait que les anneaux soient transparents dans l’infrarouge. Donc en comparant le profil du transit dans ces longueurs d’onde et dans le visible, on devrait observer une variation apparente du rayon de la planète, qui trahirait des anneaux » reprend le chercheur. Ce sera possible avec le télescope spatial James Webb (JWST), dont le lancement est attendu pour 2021. Mais avant cela, le télescope Hubble pourrait être mis à contribution. Peut-être d’autres instruments sont-ils déjà sur la brèche ? Lorsqu’on les interroge sur la suite de leurs travaux, Babatunde Akinsanmi et ses collègues se font en tout cas très timides... Affaire à suivre.

Variation d'éclat de l'étoile HIP 41378 ("courbe de lumière") au passage de sa planète : dans le visible (trait continu) et prédite dans l'infrarouge si elle possède des anneaux (pointillés). © Akinsanmi et al. A&A 365, L8

 

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