Découverte de TOI-178 : les premières questions que pose son système planétaire exceptionnel

Vie d'artiste du système planétaire de TOI-178. Crédit : ESO/L. Calçada/spaceengine.org
Retenez ce nom : TOI-178. À 200 années-lumières de la Terre, dans la constellation du Sculpteur, cet étonnant système à six planètes semble figé dans la configuration de sa prime enfance. Un cas rarissime qui intrigue les spécialistes.

« C’est une super découverte ! » Sean Raymond a beau n’être pour rien dans l’annonce faite par l’ESA et l’ESO ce 25 janvier 2021, l’astrophysicien est presque aussi enthousiaste que s’il avait lui-même mis la main sur TOI-178. Il faut dire que le trophée du satellite Cheops et de l’instrument Espresso du Very Large Telescope a de quoi réjouir un spécialiste de la formation des planètes. Épaulés par les deux batteries de télescopes robots NGTS et Speculoos, installés comme le VLT à l’observatoire de Paranal (Chili), ils viennent de mettre au jour pas moins de six planètes de 1 à 3 rayons terrestres autour d’une petite étoile située à 200 années-lumière dans la constellation du Sculpteur ! Une découverte que l’on doit à une large équipe dirigée par Adrien Leleu (université de Genève).

Six super-Terre autour d’une petite étoile

Un tiers moins massive que le Soleil, l’étoile TOI-178 fascine par son cortège planétaire. Sur ses six « super-Terre » (ou « mini-Neptune » lorsqu'elles sont riches en gaz), qui tournent autour d’elle selon une période allant de 1,9 à 20,7 jours, cinq le font dans un ballet soigneusement chorégraphié. Lorsque la planète la plus éloignée fait 2 tours, celle qui la précède en fait 4, la suivante 6, sa voisine 9 et la dernière 12 ! Seul le petit monde qui gravite au plus près de l’étoile semble n’en faire qu’à sa tête. « Ce genre de configuration s’appelle une chaîne de résonances de Laplace. Elle apparaît naturellement dans les simulations de formation planétaire, mais on l’observe très rarement dans la réalité », explique Sean Raymond.

L’archétype de ce type de résonance, qui implique trois corps célestes autour d’un plus gros, est le ballet de Io, d’Europe et de Ganymède autour de Jupiter : Io fait 4 tours de la planète, quand Europe en fait 2 et Ganymède 1. « Lorsqu’elle s’étend à plus d’objets, on parle d’une chaîne de résonances », indique Sean Raymond. Son origine est liée à la façon dont les embryons de planètes se comportent dans le disque de gaz et de poussières qui entoure les jeunes étoiles. Ils migrent systématiquement vers l’étoile et se retrouvent capturés dans ces pièges gravitationnels que sont les résonances. Jusqu’à former des chaînes, dans des configurations orbitales compactes.

Des chaînes de résonances peu durables

Dans l’immense majorité des cas, ces chaînes de résonance ne survivent pas à la disparition du disque protoplanétaire. « L’interaction entre les planètes a tendance à modifier leur orbite, ce à quoi l’action du disque s’oppose. Dès qu’il n’est plus là, un rien peut déstabiliser tout le système », explique Yann Alibert, de l’université de Berne et co-auteur de la découverte. Les effets de marées entre planètes proches peuvent notamment les délivrer de leurs chaînes. « Le passage d’une étoile à proximité peut également suffire », ajoute l’astrophysicien.

Par ailleurs, le disque n’agit qu’au tout début de la vie d’un système planétaire. Il se dissipe en moins de dix millions d’années, souvent pour laisser la place à un grand jeu de billard planétaire.

On comprend donc l’enthousiasme des chercheurs pour TOI-178 : c’est une sorte de fossile ! Figé dans sa résonance depuis plus de 2 milliards d’années — c’est l’âge minimal de l’étoile —, il offre un instantané de l’évolution des systèmes planétaires à une étape cruciale : celle où le disque qui forme les planètes disparaît. Une étape à laquelle les astronomes n’ont presque jamais accès.

Une observation extrêmement rare

« Nous ne connaissons qu’une poignée de systèmes résonants », confirme Yann Alibert. Sur plus de 4300 exoplanètes découvertes, seules celles des étoiles GJ 876, Kepler-60, Kepler-80, K2-138 et surtout Trappist-1 sont piégées dans une résonance de Laplace. La comparaison avec ce dernier système, qui possède la plus longue chaîne de résonance connue, est d’ailleurs très instructive.

Trappist-1 est une étoile naine rouge 11 fois moins massive que le Soleil autour de laquelle sept planètes à peu près de la taille de la Terre sont gravitationnellement liées. Leurs orbites circulaires sont dans le même plan – au centième de degré près ! Et leurs masses viennent d’être mesurées avec une précision de 1 à 8 % par l’équipe d’Eric Agol, en analysant les transits observés par les satellites Spitzer, Kepler et Hubble, et depuis le sol. Un record ! Leurs tailles étant connues, la densité de ces exoplanètes est particulièrement bien mesurée. Et à l ’inverse de celles de TOI-178, elles se révèlent remarquablement homogènes. Une différence qui tracasse Yann Alibert.

Les planètes de l’étoile Trappist-1 ont une taille comparable à la Terre et une densité un peu inférieure. © Nasa
Plusieurs planètes de l’étoile Trappist-1 ont une taille et une masse comparables à la Terre. © Nasa

« Dans Trappist-1, il y a une harmonie parfaite entre la dynamique des planètes, très ordonnée, et leur structure interne, qui semble identique. Alors que pour TOI-178, nous avons des disparités très importantes entre les planètes. Par exemple, la troisième est six fois plus denses que la quatrième ! Par ailleurs, contrairement à tous les autres systèmes résonants, leur densité ne décroît pas lorsqu’on s’éloigne de l’étoile », note le chercheur.

La densité étant liée à la quantité de gaz retenue par une planète, on peut en effet s’attendre à première vue à ce que les planètes qui se forment le plus loin de l’étoile soient les moins denses. Car le gaz près d’une étoile s’évapore facilement. Commet expliquer alors que la troisième planète autour de TOI-178 exhibe une densité inférieure à celle de Jupiter — c’est en fait une « mini-Neptune » — quand la quatrième a une densité triple et la cinquième est aussi dense que Mars ?

Si TOI-178, comme Trappist-1 et les autres, est bien un témoin de l’état des systèmes planétaires à la sortie de leur phase primitive – et si les planètes conservent bien leur ordre de naissance jusqu’à ce moment-là, comme le pense Yann Alibert –, pourquoi est-il si différent ? « Son cas ne cadre pas avec ce que l’on comprend de la formation des planètes », insiste l’astrophysicien.

« Tous les ingrédients sont là ! »

Sean Raymond n’est pas de cet avis : « On ne peut pas dire que ce genre de système est complètement inattendu. » Au contraire, si TOI-178 l’enthousiasme tant, c’est précisément parce que son architecture ressemble beaucoup à ce qu’il voit dans les simulations numériques ! En 2019, avec André Izidoro et une poignée d’autres spécialistes des systèmes planétaires, l’astrophysicien a montré que des chaînes résonantes alternant des super-Terres plus ou moins massives et denses pouvaient se former. « En tenant compte de la façon dont les petits grains s’agrègent dans le disque pour créer des embryons planétaires, puis de la façon dont ceux-ci migrent dans le disque, on obtient des systèmes très variés » assure le chercheur. Bien sûr, les modèles ne permettent pas de reproduire TOI-178 dans tous ses détails, car chaque système planétaire a sa propre histoire, mais enfin « tous les ingrédients sont là. »

Certains modèles prédisent la formation de systèmes, où planètes denses et moins denses
alternent après la dissipation du disque où elles se forment.
© Izidoro et al. 2019

Certes, mais dans un système censé témoigner des premiers instants de la formation planétaire, comment expliquer que planètes gazeuses et solides puissent alterner ? Comment réconcilier cette étrange architecture fossile avec l’idée qu’une planète possède d’autant plus de gaz qu’elle est née loin de son étoile ?

Pour Sean Raymond, il faut tout simplement se départir de cette image de planètes sagement ordonnées. La vie des systèmes planétaires serait très agitée dès leurs premiers millions d’années ! « Les disques protoplanétaires forment naturellement des chaînes de résonance, mais celles-ci peuvent être instables. Plusieurs peuvent se succéder pendant la durée de vie d’un disque », explique-t-il. Les collisions ou changements d’orbite de jeunes planètes seraient donc tout à fait possibles. Et les chaînes de Laplace que l’on observe dans les systèmes comme Trappist-1 ou TOI-178 n’offriraient pas une photographie de l’état initial d’un système planétaire. Ce seraient simplement les dernières à s’être formées avant la dissipation du disque protoplanétaire...

Mieux, « les embryons de planètes se déplacent d’autant plus vite vers leur étoile qu’ils sont gros », ajoute Sean Raymond. Et comme leur croissance est plus facile à partir de grains enveloppés de glace. « Il arrive que certaines protoplanètes glacées migrent si vite qu’elles n’ont même pas le temps d’accréter une enveloppe de gaz [contrairement par exemple à Uranus ou Neptune, NDLR] », reprend l’astrophysicien. C’est ainsi que de façon contre-intuitive, des planètes riches en glaces – beaucoup moins denses que les rocheuses – se retrouvent en orbite près de leur étoile !

Une septième planète dans la zone habitable ?

TOI-178 perdrait donc un peu de son mystère ? Peut-être, mais rien de son intérêt. Avec ses collègues, Yann Alibert cherche désormais à peser plus précisément les planètes du système, afin de mieux mesurer leur densité. « On pense pouvoir le faire en l’observant de nouveau avec Espresso. Pour leur taille, nous savons déjà que nous aurons une très bonne précision car Cheops a encore observé énormément de transits planétaires devant l’étoile », explique-t-il.

Ensuite, l’équipe espère bien pouvoir analyser la composition de leur atmosphère grâce au futur télescope spatial JWST. Les planètes extérieures du système sont suffisamment grandes pour que le successeur de Hubble y parvienne. « Nous avons déposé une demande de temps pour faire de la spectroscopie pendant leur transit », indique Yann Alibert.

Mais avant cela, son équipe tentera de confirmer une séduisante hypothèse : si sa chaîne de Laplace se prolonge, l’étoile pourrait abriter une planète dans sa zone habitable ! « Il y a une orbite stable à 45 jours de période, ce qui correspond à peu près à la distance de 0,2 UA où se trouve la zone tempérée », explique l’astrophysicien. À cause de la très légère inclinaison du système par rapport à nous, cette septième planète ne transite probablement pas devant son étoile. Mais avec sa magnitude 12 dans le visible (contre 18 pour Trappist-1), TOI-178 est assez brillante pour être étudiée par la méthode des vitesses radiales. « Pour le moment, nous avons un petit signal grâce à Espresso, mais trop peu de mesures pour conclure », révèle le chercheur.

TOI-178, à coup sûr, est un fossile dont nous n’avons pas fini d’entendre parler.

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