Les astronomes du Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ont appris que la composition chimique d'une étoile peut exercer une influence inattendue sur son système planétaire. et celui qui promet d'élargir notre compréhension de la formation et de l'évolution des planètes extrasolaires.

"Sans ces mesures détaillées et précises de la teneur en fer des étoiles, nous n'aurions jamais pu faire cette mesure, " dit Robert Wilson, un étudiant diplômé en astronomie à l'Université de Virginie et auteur principal de l'article annonçant les résultats.

L'équipe a présenté ses résultats aujourd'hui lors de la réunion de l'American Astronomical Society (AAS) à National Harbor, Maryland. En utilisant les données SDSS, ils ont découvert que les étoiles avec des concentrations plus élevées de fer ont tendance à héberger des planètes qui orbitent assez près de leur étoile hôte - souvent avec des périodes orbitales de moins de huit jours environ - tandis que les étoiles avec moins de fer ont tendance à héberger des planètes avec des périodes plus longues qui sont plus éloignées de leur étoile d'accueil. Une étude plus approfondie de cet effet peut nous aider à comprendre toute la variété des systèmes planétaires extrasolaires de notre Galaxie, et faire la lumière sur les raisons pour lesquelles les planètes se trouvent là où elles se trouvent.

L'histoire des planètes autour d'étoiles semblables au soleil a commencé en 1995, lorsqu'une équipe d'astronomes a découvert une seule planète en orbite autour d'une étoile semblable au soleil à 50 années-lumière de la Terre. Le rythme des découvertes s'est accéléré en 2009, lorsque la NASA a lancé le vaisseau spatial Kepler, un télescope spatial conçu pour rechercher des planètes extrasolaires. Au cours de sa mission principale de quatre ans, Kepler a surveillé des milliers d'étoiles à la fois, surveillant la minuscule gradation de la lumière des étoiles qui indique une planète passant devant son étoile hôte. Et parce que Kepler a regardé les mêmes étoiles pendant des années, il a vu leurs planètes maintes et maintes fois, et a ainsi pu mesurer le temps que met la planète pour orbiter autour de son étoile. Cette information révèle la distance d'une étoile à une planète, avec des planètes plus proches en orbite plus rapidement que les plus éloignées. Grâce au suivi infatigable de Kepler, le nombre d'exoplanètes avec des périodes orbitales connues a considérablement augmenté, d'environ 400 en 2009 à plus de 3, 000 aujourd'hui.

Bien que Kepler ait été parfaitement conçu pour repérer les planètes extrasolaires, il n'a pas été conçu pour connaître la composition chimique des étoiles autour desquelles ces planètes orbitent. Cette connaissance provient de l'expérience d'évolution galactique de l'observatoire Apache Point du SDSS (APOGEE), qui a étudié des centaines de milliers d'étoiles dans toute la Voie lactée. APOGEE fonctionne en collectant un spectre pour chaque étoile, une mesure de la quantité de lumière émise par l'étoile à différentes longueurs d'onde (couleurs) de la lumière. Parce que les atomes de chaque élément chimique interagissent avec la lumière d'une manière qui leur est propre, un spectre permet aux astronomes de déterminer non seulement quels éléments une étoile contient, mais aussi combien - pour tous les éléments, y compris l'élément clé fer.

"Toutes les étoiles semblables au soleil sont principalement de l'hydrogène, mais certains contiennent plus de fer que d'autres, " déclare Johanna Teske de la Carnegie Institution for Science, un membre de l'équipe de recherche. "La quantité de fer qu'une étoile contient est un indice important sur la façon dont elle s'est formée et comment elle évoluera au cours de sa vie."

En combinant les données de ces deux sources – les orbites planétaires de Kepler et la chimie stellaire d'APOGEE – les astronomes ont découvert les relations entre ces étoiles « enrichies en fer » et les systèmes planétaires qu'elles abritent.

"Nous savions que l'enrichissement en éléments d'une étoile serait important pour sa propre évolution, " dit Teske, "Mais nous avons été surpris d'apprendre que cela compte également pour l'évolution de son système planétaire."

Le travail présenté aujourd'hui s'appuie sur des travaux antérieurs, dirigé par Gijs Mulders de l'Université de l'Arizona, en utilisant un échantillon de spectres plus grand mais moins précis du projet LAMOST-Kepler. (LAMOST, le télescope spectroscopique à fibre multi-objets à grande surface, est une étude du ciel chinois.) Mulders et ses collaborateurs ont trouvé une tendance similaire - des planètes plus proches en orbite autour d'étoiles riches en fer - mais n'ont pas déterminé la période critique de huit jours.

"Il est encourageant de voir une confirmation indépendante de la tendance que nous avons trouvée en 2016, " dit Mulders. " L'identification de la période critique montre vraiment que Kepler est le cadeau qui continue à donner. "

Ce qui est particulièrement surprenant dans le nouveau résultat, Wilson a expliqué, est que les étoiles enrichies en fer n'ont qu'environ 25 pour cent de plus de fer que les autres de l'échantillon. "C'est comme ajouter cinq huitièmes d'une cuillère à café de sel dans une recette de cupcake qui demande une demi-cuillère à café de sel, parmi tous ses autres ingrédients. Je mangerais toujours ce cupcake, " dit-il. " Cela nous montre vraiment comment même de petites différences dans la composition stellaire peuvent avoir des impacts profonds sur les systèmes planétaires. "

Mais même avec cette nouvelle découverte, les astronomes se retrouvent avec de nombreuses questions sans réponse sur la formation et l'évolution des planètes extrasolaires, en particulier les planètes de la taille de la Terre ou légèrement plus grandes ("super-Terres"). Les étoiles riches en fer forment-elles intrinsèquement des planètes avec des orbites plus courtes ? Ou les planètes en orbite autour d'étoiles riches en fer sont-elles plus susceptibles de se former plus loin, puis de migrer vers une période plus courte, orbites plus proches ? Wilson et ses collaborateurs espèrent travailler avec d'autres astronomes pour créer de nouveaux modèles de disques protoplanétaires afin de tester ces deux explications.

"Je suis ravi que nous ayons encore beaucoup à apprendre sur l'impact de la composition chimique des étoiles sur leurs planètes, en particulier sur la façon dont les petites planètes se forment, " dit Teske. " De plus, APOGEE fournit beaucoup plus d'abondances chimiques stellaires en plus du fer, il y a donc probablement d'autres tendances enfouies dans ce riche ensemble de données que nous n'avons pas encore explorées."