Les Jupiters chauds sont parmi les planètes les plus extrêmes de notre galaxie. Ces géantes gazeuses, comparables en taille à Jupiter, orbitent très près de leur étoile, complétant une révolution en quelques jours, contrairement aux 4 000 jours nécessaires à Jupiter pour orbiter autour du Soleil.
Les scientifiques pensent que ces Jupiters chauds n’ont pas toujours été aussi proches de leur étoile. Ils se seraient formés comme des « Jupiters froids » dans des régions plus éloignées et glaciales. Cependant, le processus par lequel ces planètes sont devenues les géantes gazeuses brûlantes que nous observons aujourd’hui reste un mystère.
Des astronomes du MIT, de la Penn State University et d’autres institutions ont récemment découvert un « ancêtre » de Jupiter chaud, une planète en phase de transition vers un Jupiter chaud. Cette planète, nommée TIC 241249530 b, orbite autour d’une étoile située à environ 1 100 années-lumière de la Terre. Son orbite est très excentrique, ce qui signifie qu’elle s’approche extrêmement près de son étoile avant de s’en éloigner, formant un circuit elliptique étroit. Si cette planète faisait partie de notre système solaire, elle s’approcherait dix fois plus près du Soleil que Mercure avant de s’éloigner au-delà de l’orbite terrestre.
En plus de son orbite excentrique, TIC 241249530 b a une orbite rétrograde, se déplaçant dans une direction opposée à la rotation de son étoile, contrairement à la Terre et aux autres planètes du système solaire.
Des simulations de la dynamique orbitale ont révélé que cette orbite excentrique et rétrograde est un signe que la planète évolue probablement vers un Jupiter chaud par un processus de « migration à haute excentricité ». Ce processus implique que l’orbite d’une planète vacille et se rétrécit progressivement en interagissant avec une autre étoile ou planète sur une orbite plus large.
Pour TIC 241249530 b, les chercheurs ont déterminé que la planète orbite autour d’une étoile primaire, qui elle-même orbite autour d’une étoile secondaire dans un système binaire. Les interactions entre ces deux orbites ont progressivement rapproché la planète de son étoile primaire.
Actuellement, l’orbite elliptique de la planète prend environ 167 jours pour se compléter. Les chercheurs prédisent qu’en un milliard d’années, la planète migrera vers une orbite circulaire plus étroite, complétant une révolution en quelques jours, devenant ainsi un Jupiter chaud.
« Cette nouvelle planète soutient la théorie selon laquelle une migration à forte excentricité explique une partie des Jupiters chauds, » déclare Sarah Millholland, professeur adjoint de physique à l’Institut Kavli d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT. « Nous pensons que cette planète s’est formée comme un monde glacial et, en raison de la dynamique orbitale spectaculaire, deviendra un Jupiter chaud dans environ un milliard d’années. »
Millholland et ses collègues ont publié leurs découvertes dans la revue Nature. Ses co-auteurs incluent Haedam Im, étudiant de premier cycle au MIT, l’auteur principal Arvind Gupta de la Penn State University et du NSF NOIRLab, ainsi que des collaborateurs de plusieurs autres institutions.
« Des saisons radicales »
La nouvelle planète a été initialement repérée dans les données du Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA, une mission dirigée par le MIT. TESS surveille la luminosité des étoiles proches à la recherche de « transits », des baisses de lumière qui pourraient signaler une planète passant devant une étoile.
Le 12 janvier 2020, TESS a détecté un possible transit de l’étoile TIC 241249530. Gupta et ses collègues ont déterminé que le transit était cohérent avec une planète de la taille de Jupiter. Des mesures supplémentaires de la vitesse radiale de l’étoile ont confirmé la présence d’une planète de la taille de Jupiter avec une orbite très excentrique.
Avant cette découverte, les astronomes ne connaissaient qu’une seule autre planète, HD 80606 b, considérée comme un Jupiter chaud précoce. Cette planète, découverte en 2001, détenait le record de l’excentricité la plus élevée.
« Cette nouvelle planète subit des changements spectaculaires dans la lumière des étoiles tout au long de son orbite, » explique Millholland. « Il doit y avoir des saisons radicales et une atmosphère brûlante chaque fois qu’elle passe près de son étoile. »
« Danse des orbites »
Pour comprendre comment une planète peut avoir une orbite aussi extrême et comment son excentricité pourrait évoluer, Im et Millholland ont effectué des simulations de la dynamique orbitale planétaire. Ils ont modélisé les interactions gravitationnelles entre la planète, son étoile et la deuxième étoile du système binaire.
Les simulations ont révélé que la nouvelle planète évolue probablement vers un Jupiter chaud. Il y a plusieurs milliards d’années, la planète s’est formée comme un Jupiter froid, loin de son étoile. Son orbite circulaire initiale est devenue excentrique en raison des forces gravitationnelles de l’orbite mal alignée de l’étoile avec la deuxième étoile binaire.
« C’est un processus extrême où les changements dans l’orbite de la planète sont massifs, » explique Millholland. « C’est une grande danse d’orbites qui se déroule sur des milliards d’années. »
Dans un milliard d’années, les simulations montrent que l’orbite de la planète se stabilisera en une trajectoire circulaire rapprochée autour de son étoile, devenant ainsi un Jupiter chaud.
« Ensuite, la planète deviendra pleinement un Jupiter chaud, » ajoute Millholland.
Les observations de l’équipe et leurs simulations soutiennent la théorie selon laquelle des Jupiters chauds peuvent se former par une migration à forte excentricité, un processus où une planète subit des changements extrêmes de son orbite au fil du temps.
« Il ressort clairement de cette étude et d’autres études statistiques que la migration à forte excentricité explique une fraction des Jupiters chauds, » note Millholland. « Ce système met en évidence l’incroyable diversité des exoplanètes. Ce sont des mondes mystérieux avec des orbites sauvages qui racontent comment ils en sont arrivés là et où ils vont. Pour cette planète, son voyage n’est pas encore terminé. »
« Il est difficile de capturer ces progéniteurs de Jupiters chauds ‘en flagrant délit’ pendant leurs épisodes super excentriques, donc c’est très excitant de trouver un système en plein processus, » déclare Smadar Naoz, professeur de physique et d’astronomie à l’Université de Californie à Los Angeles, qui n’a pas participé à l’étude. « Je crois que cette découverte ouvre la porte à une compréhension plus profonde de la configuration de naissance des systèmes exoplanétaires. »
