En 2017, une équipe internationale d'astronomes a annoncé une découverte capitale. Sur la base d'années d'observations, ils ont découvert que le système TRAPPIST-1 (une naine rouge de type M située à 40 années-lumière de la Terre) ne contenait pas moins de sept planètes rocheuses. Tout aussi excitant était le fait que trois de ces planètes ont été trouvées dans la zone habitable de l'étoile (HZ), et que le système lui-même a eu 8 milliards d'années pour développer la chimie de la vie.

À la fois, le fait que ces planètes orbitent étroitement autour d'une étoile naine rouge a fait douter que ces trois planètes pourraient maintenir une atmosphère ou de l'eau liquide pendant très longtemps. Selon de nouvelles recherches menées par une équipe internationale d'astronomes, tout se résume à la composition du disque de débris à partir duquel les planètes se sont formées et à la présence ou non de comètes dans les environs pour distribuer de l'eau par la suite.

L'équipe responsable de cette recherche était dirigée par Sebastian Marino du Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) et comprenait des membres de l'Université de Cambridge, l'Université de Warwick, l'Université de Birmingham, le Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) et le MPIA. L'étude qui décrit leurs découvertes est parue récemment dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .

En ce qui concerne la façon dont le système solaire est né, les astronomes sont de l'avis général qu'il s'est formé il y a plus de 4,6 milliards d'années à partir d'une nébuleuse de gaz, poussières et volatiles (alias l'hypothèse nébulaire). Cette théorie veut que ces éléments se soient d'abord réunis au centre, subissant un effondrement gravitationnel pour créer le soleil. Heures supplémentaires, le reste du matériau a formé un disque autour du soleil qui s'est finalement accrété pour former les planètes.

Aux confins du système solaire, les objets laissés par la formation se sont installés dans une grande ceinture contenant de grandes quantités d'icetéroïdes, également connue sous le nom de ceinture de Kuiper. Conformément à la théorie du bombardement tardif, l'eau a été distribuée sur Terre et dans tout le système solaire par d'innombrables comètes et objets glacés qui ont été éjectés de cette ceinture et envoyés vers l'intérieur.

Si le système TRAPPIST-1 possède sa propre ceinture de Kuiper, alors il va de soi qu'un processus similaire a été impliqué. Dans ce cas, des perturbations gravitationnelles auraient provoqué l'expulsion d'objets de la ceinture qui se sont ensuite rendus vers les sept planètes pour déposer de l'eau à leur surface. Combiné avec les bonnes conditions atmosphériques, les trois planètes dans la HZ de l'étoile pourraient avoir été des quantités suffisantes d'eau sur leurs surfaces.

Comme le Dr Marino l'a expliqué à Universe Today par e-mail :"La présence d'une ceinture indique qu'un système possède un grand réservoir de substances volatiles et d'eau. Ce réservoir est généralement situé plus loin dans les régions froides d'un système, cependant, il existe différents processus qui pourraient amener une fraction de cette matière riche en eau près des planètes HZ et livrer leur contenu. Trouver une ceinture de comètes est une indication que le réservoir existait en premier lieu."

Cependant, Le Dr Marino a également mis en garde que l'absence d'une telle ceinture autour des étoiles aujourd'hui n'est pas la preuve qu'un système n'aurait pas un approvisionnement suffisant en eau pour soutenir la vie. Il est tout à fait possible que les systèmes dotés d'une telle ceinture les aient initialement perdus après des milliards d'années d'évolution en raison d'événements dynamiques. Il est également possible qu'ils deviennent trop faibles pour être détectés, car les ceintures deviennent naturellement moins massives et moins brillantes avec le temps.

Pour rechercher un signe d'une ceinture exo-Kuiper autour du système TRAPPIST-1, l'équipe s'est appuyée sur les données collectées par l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Ce réseau est réputé pour sa capacité à détecter des objets qui émettent un rayonnement électromagnétique entre les longueurs d'onde infrarouge et radio avec un degré de sensibilité élevé.

Cela permet à ALMA de visualiser les grains de poussière et les éléments volatils (comme le monoxyde de carbone) qui caractérisent les ceintures de débris. Ceux-ci sont généralement trop faibles pour être vus en lumière visible, mais émettent un rayonnement thermique à cause de la chaleur qu'ils absorbent de leur étoile respective. Malgré la sensibilité d'ALMA, l'équipe n'a trouvé aucune preuve d'une ceinture exo-Kuiper autour de TRAPPIST-1.

"Malheureusement, nous n'avons pas détecté cela autour de TRAPPIST-1, mais nos limites supérieures nous ont permis d'exclure que le système avait initialement une ceinture massive de grosses comètes à une distance similaire à la ceinture de Kuiper, " dit le docteur Marino. " C'est possible, bien que, que le système s'est bien formé avec une telle ceinture, mais il a été complètement perturbé par une instabilité dynamique du système."

Ils concluent en outre que le système TRAPPIST-1 aurait pu naître avec un disque planétaire d'un rayon inférieur à 40 UA et contenant moins de 20 masses terrestres de matériaux. De plus, ils théorisent que la plupart des grains de poussière dans le disque ont probablement été transportés vers l'intérieur et utilisés pour former les sept planètes qui composent le système planétaire.

Le Dr Marino et ses collègues ont également utilisé leur code de modélisation pour examiner les données d'archives ALMA sur Proxima Centauri et son système d'exoplanètes, qui comprennent le Proxima b rocheux et potentiellement habitable et la nouvelle super-Terre Proxima c. En 2017, Les données ALMA ont été utilisées pour confirmer l'existence d'une ceinture froide de poussières et de débris à cet endroit, ce qui était considéré comme une indication possible que l'étoile avait plus d'exoplanètes.

Ici aussi, leurs résultats n'ont montré que des limites supérieures à l'émission de gaz et de poussières, ce qui impliquerait que le jeune disque de Proxima Centauri est environ un dixième aussi massif que celui qui a formé notre système solaire. Comme l'a expliqué le Dr Marino, cette étude soulève plusieurs questions sur les systèmes stellaires de faible masse :

"Si nous continuions à constater que ce type de système n'a pas de ceintures cométaires massives, cela pourrait signifier que tout le matériel utilisé pour former ces comètes a été utilisé à la place pour former et faire croître des planètes plus proches. Il est très incertain ce que cela signifie pour la composition de ces planètes, car cela dépend vraiment de l'endroit et de la manière dont ces planètes se sont formées. Juste pour signaler, ce type de ceinture se trouve autour d'environ 20% des étoiles proches qui sont comme le soleil ou massives/plus brillantes. Autour des étoiles de faible masse, cela a été beaucoup plus difficile, et nous ne connaissons que quelques ceintures autour des étoiles M."

Cela pourrait être dû à certains biais qui facilitent la détection des ceintures plus chaudes autour des étoiles plus brillantes que des ceintures froides autour des étoiles de type M, ajoute le Dr Marino. Cela pourrait également être le résultat d'une différence intrinsèque entre l'architecture des systèmes planétaires autour des étoiles semblables au soleil (de type G ou plus brillantes) et celles qui orbitent autour des naines rouges.

En bref, ces résultats laissent la question de savoir comment l'eau primitive a été transportée à travers les systèmes stellaires de type M un mystère. À la fois, ils ont encouragé le Dr Marino et ses collègues à appliquer leurs techniques à des systèmes stellaires plus jeunes et plus proches afin d'affiner leurs modèles et d'augmenter la probabilité de détection.

Ces efforts bénéficieront également de nouveaux télescopes spatiaux et terrestres qui seront mis en service dans les années à venir. "Certains télescopes de nouvelle génération devraient être plus sensibles, et ainsi détecter ces ceintures si elles sont bien là, mais pas assez brillant pour les détecter avec les télescopes actuels, " a déclaré le Dr Marino.

Comme pour les autres découvertes, ces résultats montrent comment les études d'exoplanètes sont passées du processus de découverte au processus de caractérisation. Avec des améliorations dans l'instrumentation et la méthodologie, nous commençons à voir à quel point les autres types de systèmes stellaires peuvent être divers et différenciés du nôtre.