L’évolution du système planétaire Trappist-1

Les planètes sont des corps qui gravitent autour d’une étoile et qui ont une masse gravitationnelle suffisante pour prendre des formes à peu près sphériques qui, à leur tour, exercent une force gravitationnelle sur les objets plus petits qui les entourent, comme les astéroïdes et les lunes.

Pendant la majeure partie de l’histoire de l’humanité, les seules planètes que connaissaient nos ancêtres étaient celles qu’ils pouvaient voir dans le ciel nocturne. Mais au cours des trente dernières années, des télescopes suffisamment sensibles pour déduire la présence d’exoplanètes – des planètes situées en dehors de notre système solaire – ont été développés.

Les exoplanètes sont bien sûr beaucoup plus difficiles à observer directement que les étoiles et les galaxies. Presque toutes les découvertes d’exoplanètes, notamment à partir de 2010, se sont basées sur des mesures photométriques (quantité de lumière reçue) des étoiles hôtes des exoplanètes, plutôt que des planètes elles-mêmes. C’est ce qu’on appelle la méthode du transit.

Aujourd’hui, avec l’aide du télescope spatial Spitzer, qui a réalisé sa première détection d’exoplanètes en 2005, du télescope spatial Kepler/KW, spécialement conçu pour la recherche d’exoplanètes, et du télescope spatial James Webb, lancé en 2021, la méthode du transit et d’autres techniques ont confirmé l’existence de plus de 5 000 exoplanètes habitant des milliers de systèmes stellaires.

« Lorsque nous n’avions que notre propre système solaire à analyser, on pouvait simplement supposer que les planètes se formaient aux endroits où nous les trouvons aujourd’hui », explique Gabriele Pichierri, chercheur postdoctoral associé en sciences planétaires à Caltech, travaillant dans le groupe du professeur de sciences planétaires Konstantin Batygin.

« Cependant, lorsque nous avons découvert la première exoplanète en 1995, nous avons dû reconsidérer cette hypothèse. Nous développons de meilleurs modèles sur la façon dont les planètes se forment et sur la façon dont elles se présentent dans les orientations que nous leur donnons. »

La plupart des exoplanètes se forment à partir du disque de gaz et de poussière qui entoure les étoiles nouvellement formées. Elles devraient ensuite migrer vers l’intérieur en se rapprochant de la limite interne de ce disque. Cela crée des systèmes planétaires beaucoup plus proches de l’étoile hôte que ce n’est le cas dans notre propre système solaire.

En l’absence d’autres facteurs, les planètes ont tendance à s’éloigner les unes des autres à des distances caractéristiques basées sur leurs masses et sur les forces gravitationnelles entre les planètes et leur étoile hôte. « C’est le processus de migration standard », explique Pichierri.

« Les positions des planètes forment des résonances entre leurs périodes orbitales. Si vous prenez la période orbitale d’une planète et que vous la divisez par la période orbitale de la planète voisine, vous obtenez un rapport d’entiers simples, comme 3:2. »

Ainsi, si une planète met deux jours à faire le tour de son étoile, la planète suivante, plus éloignée, mettra trois jours. Si cette deuxième planète et une troisième plus éloignée sont également en résonance 3:2, la période orbitale de la troisième planète sera de 4,5 jours.

Le système Trappist-1, qui abrite sept planètes et se situe à environ 40 années-lumière de la Terre, est particulier pour plusieurs raisons. « Les planètes extérieures se comportent normalement, pour ainsi dire, avec les résonances attendues plus simples », explique Pichierri. « Mais les planètes intérieures ont des résonances un peu plus piquantes. »

Le rapport entre les orbites des planètes b et c est par exemple de 8:5, et celui entre c et d de 5:3. « Cette faible différence dans le résultat de l’assemblage de Trappist-1 est déroutante et représente une formidable opportunité de comprendre en détail quels autres processus ont joué dans son assemblage », dit-il.

« De plus, on pense que la plupart des systèmes planétaires ont commencé dans ces états de résonance, mais ont rencontré des instabilités importantes au cours de leur vie avant que nous les observions aujourd’hui », explique Pichierri. « La plupart des planètes deviennent instables ou entrent en collision les unes avec les autres, et tout se transforme.

« Notre propre système solaire, par exemple, a été affecté par une telle instabilité. Mais nous connaissons quelques systèmes qui sont restés stables, qui sont des spécimens plus ou moins intacts. Ils présentent en effet un enregistrement de toute leur histoire dynamique que nous pouvons ensuite tenter de reconstituer. Trappist-1 est l’un d’eux. »

Le défi était alors de développer un modèle capable d’expliquer les orbites des planètes Trappist-1 et comment elles ont atteint leur configuration actuelle.

Le modèle qui en résulte suggère que les quatre planètes intérieures ont initialement évolué seules dans la chaîne de résonance 3:2 attendue. Ce n’est qu’à mesure que la limite intérieure du disque s’est élargie vers l’extérieur que leurs orbites se sont relâchées pour sortir de la chaîne 3:2 plus serrée et prendre la configuration que nous observons aujourd’hui.

La quatrième planète, qui se trouvait à l’origine sur la limite intérieure du disque, s’éloignant avec lui, a ensuite été repoussée vers l’intérieur lorsque trois autres planètes extérieures ont rejoint le système planétaire à un stade ultérieur.

L’article contenant cette recherche, intitulé « Formation du système Trappist-1 en deux étapes lors de la récession du bord interne du disque », est publié dans Astronomie de la nature.

« En étudiant Trappist-1, nous avons pu tester de nouvelles hypothèses passionnantes sur l’évolution des systèmes planétaires », explique Pichierri. « Trappist-1 est très intéressant parce qu’il est très complexe ; c’est une longue chaîne planétaire. Et c’est un excellent exemple pour tester des théories alternatives sur la formation des systèmes planétaires. »