Dans notre Galaxie, une étoile sur sept possède une planète géante

La géante Jupiter photographiée par la sonde Juno. Crédit : NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/ Kevin M. Gill
En analysant plus de 700 étoiles de la Voie lactée, une équipe américaine montre que 14 % d’entre elles possèdent une planète géante. Ce résultat, qui confirme et précise des études précédentes, suggère que le Système solaire n’est pas si rare.

Les planètes géantes ne sont pas les plus courantes, mais elles ne sont pas rares pour autant : 14 % des étoiles de la Voie lactée en possèdent une, comme le montrent l’astrophysicien Benjamin Fulton et une vingtaine d’autres scientifiques dans un article publié le 28 mai 2021. Une conclusion qui s’appuie sur un corpus de 719 étoiles de type F à M (comme le Soleil ou plus petites, autrement dit l’écrasante majorité des étoiles), avec un grand nombre de planètes détectées (177), jusqu’à 30 unités astronomiques (UA) de leur étoile.

Cette étude utilise la méthode des vitesses radiales, une technique d’observation dite indirecte. Lorsqu’une planète tourne autour d’une étoile, celle-ci va subir un léger mouvement causé par la faible attraction gravitationnelle engendrée par sa planète. Ce mouvement stellaire peut être détecté par effet Doppler et permet de remonter à la masse de la planète qui en est responsable.

Des résultats extrapolables à toute la Voie lactée

Jusqu'à présent, les études en vitesses radiales des populations d’exoplanètes regroupaient 400 à 500 étoiles au mieux. La statistique est désormais bien meilleure. Et bien que représentant une infime partie des étoiles présentes dans la Voie lactée, les résultats obtenus peuvent être extrapolés à toute la Galaxie. En effet, il n’y a aucune raison de penser que la zone qui nous entoure se situe dans une région particulière ; notre galaxie peut être considérée comme homogène (à l’exception de son centre, où les étoiles sont très proches les unes des autres, ce qui peut engendrer des perturbations gravitationnelles qui modifient peut-être les orbites des planètes).

Surtout, c’est la première fois qu’une étude se base sur une si longue période d’acquisition des données (22 ans en moyenne contre 10 ans maximum précédemment). Une durée qui permet de détecter aussi les planètes aux orbites longues — à l’image de Jupiter qui boucle sa révolution en près de 12 ans. Autrement dit, celles qui circulent loin de leur étoile.

La plupart des observations analysées dans cette étude ont été réalisées avec le télescope Keck. © lauriehatch.com

« Durant des siècles, nous connaissions uniquement le Système solaire et ses huit planètes. Désormais, nous savons qu’il existe des milliers de systèmes planétaires. Il est donc très intéressant d’étudier la répartition des planètes au sein de ces nouveaux systèmes et de la comparer au nôtre », souligne Guillaume Hebrard, de l’Institut d’astrophysique de Paris (IAP).

L’analyse montre que la distribution des planètes géantes présente un maximum aux alentours de 1 à 10 UA. C'est une tendance que l'on commençait à voir, mais les études précédentes étaient moins précises. Plus spécifiquement, 14% des étoiles de type F à M possèdent une planète géante (de 30 à 6000 masses terrestres), située entre 2 et 8 UA de leur soleil. Sont toutefois considérés ici comme planètes des astres allant jusqu'à 6000 masses terrestres (~19 masses de Jupiter), alors que la définition fixe usuellement la limite vers 4000 masses terrestres (~12-13 masses de Jupiter), soit la masse au-delà de laquelle la fusion du deutérium est possible. Le chiffre de 14% est donc légèrement surestimé, des naines brunes (dans lesquelles le deutérium est en fusion) étant probablement aussi comptabilisées.

Le Système solaire original, mais pas exceptionnel

Avec Jupiter à 5 UA et Saturne à 9 UA, le Système solaire ne paraît pas exceptionnel. Pour autant, son architecture n’est pas la plus courante puisque. « Plus de 50% des étoiles possèdent des planètes que l’on ne trouve pas dans le Système solaire », explique Franck Selsis, du Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux. Ces « super-Terre », dont la masse et la taille se situent entre celles de la Terre et de Neptune, peuvent être soit telluriques, soit gazeuses — quand leur rayon dépasse 1,6 fois celui de la Terre, on parle alors de mini-Neptune.

Reste que s’interroger sur le caractère générique du Système solaire a peu de sens, souligne l’astronome. Si on recherche un système planétaire strictement identique au nôtre, avec quatre planètes telluriques puis quatre planètes gazeuses, les chances de découverte sont pratiquement nulles. Si on résume le Système solaire au couple Soleil/Jupiter, les chances sont un peu meilleures. En effet, 10 % des étoiles similaires au Soleil possèdent une planète géante. Et ces étoiles comptent pour 10 % de toutes les étoiles. Pour cent étoiles quelconques, il existe donc qu’un couple Jupiter/Soleil.

Mais on ne tient pas compte, ici, de l’excentricité de l’orbite de cette géante ! C’est pourtant un paramètre important : si l’orbite de la planète géante est très excentrique, elle occupe tant de place qu’elle rend impossible la présence d’autres planètes, et donc à fortiori l’existence d’un système planétaire comparable au nôtre... « En fait, 10 % des planètes géantes en orbite autour d’étoiles similaires au Soleil possèdent une orbite aussi circulaire que celle de Jupiter », explique Franck Selsis. Si bien qu’au total, une étoile sur 1000 seulement possède un couple Jupiter/Soleil similaire au nôtre.

Les disques protoplanétaires ne forment des planètes géantes que s’ils sont suffisamment massifs. © Keck Observatory

Faut-il en conclure que les environnements favorables à l’apparition de la vie sont rares ? Non, car il n’y a pas besoin qu’un système planétaire possède une planète géante pour abriter une planète semblable à la Terre. « La majorité des étoiles de petite taille, comme les naines rouges par exemple, n’ont pas de planètes géantes, mais forment pourtant des petites planètes. Le disque protoplanétaire étant d’autant plus massif que l’étoile l’est. Dans le cas d’une naine rouge, il est trop peu massif pour créer une très grosse planète », reprend Franck Selsis.

Pour avoir une statistique complète, l’idéal serait d’utiliser, en complément des vitesses radiales, d’autres méthodes de détection des exoplanètes : par exemple l’imagerie, qui permet la détection de planètes géantes à grande orbite grâce aux grands télescopes, ou l’astrométrie, qui les repère par le mouvement qu’elles impriment à leur étoiles sur le fond du ciel. Sur ce dernier point, les prochaines livraisons de données du satellite Gaia sont très attendues.

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