Cette illustration montre trois intérieurs possibles des sept exoplanètes rocheuses du système TRAPPIST-1, basé sur des mesures de précision des densités de la planète. Dans l'ensemble, les mondes de TRAPPIST-1 ont des densités remarquablement similaires, ce qui suggère qu'ils peuvent partager le même rapport d'éléments communs formant la planète. Les densités des planètes sont légèrement inférieures à celle de la Terre ou de Vénus, ce qui pourrait signifier qu'ils contiennent un peu moins de fer (un matériau très dense), ou plusieurs matériaux à faible densité, comme l'eau ou l'oxygène. Dans le premier modèle (à gauche), l'intérieur de la planète est composé de fer mélangé à des éléments plus légers, comme l'oxygène. Il n'y a pas de noyau de fer solide, comme c'est le cas avec la Terre et les autres planètes rocheuses de notre propre système solaire. Le deuxième modèle montre une composition globale similaire à la Terre, où les matériaux les plus denses se sont déposés au centre de la planète, formant un noyau riche en fer proportionnellement plus petit que le noyau de la Terre. Une variation est montrée dans le troisième panneau où un plus grand, un noyau plus dense pourrait être équilibré par un vaste océan de faible densité à la surface de la planète. Cependant, ce scénario ne peut être appliqué qu'aux quatre planètes extérieures du système TRAPPIST-1. Sur les trois planètes intérieures, tous les océans se vaporiseraient en raison des températures plus élevées près de leur étoile, et un modèle de composition différent est requis. Puisque les sept planètes ont des densités remarquablement similaires, il est plus probable que toutes les planètes partagent une composition en vrac similaire, rendant ce quatrième scénario improbable, mais pas exclu. Les mesures de masse et de diamètre de haute précision des exoplanètes dans le système TRAPPIST-1 ont permis aux astronomes de calculer les densités globales de ces mondes avec un degré de précision sans précédent dans la recherche sur les exoplanètes. Les mesures de densité sont une première étape critique pour déterminer la composition et la structure des exoplanètes, mais ils doivent être interprétés à travers le prisme des modèles scientifiques de la structure planétaire. Crédit :NASA/JPL-Caltech
L'étoile naine rouge TRAPPIST-1 abrite le plus grand groupe de planètes à peu près de la taille de la Terre jamais trouvé dans un seul système stellaire. Situé à environ 40 années-lumière, ces sept frères et sœurs rocheux fournissent un exemple de la grande variété de systèmes planétaires qui remplissent probablement l'univers.
Une nouvelle étude publiée aujourd'hui dans le Journal des sciences planétaires montre que les planètes TRAPPIST-1 ont des densités remarquablement similaires. Cela pourrait signifier qu'ils contiennent tous à peu près le même rapport de matériaux censés composer la plupart des planètes rocheuses, comme le fer, oxygène, magnésium, et silicium. Mais si c'est le cas, ce rapport doit être notablement différent de celui de la Terre :les planètes TRAPPIST-1 sont environ 8 % moins denses qu'elles ne le seraient si elles avaient la même composition que notre planète d'origine. Sur la base de cette conclusion, les auteurs de l'article ont émis l'hypothèse que quelques mélanges différents d'ingrédients pourraient donner aux planètes TRAPPIST-1 la densité mesurée.
Certaines de ces planètes sont connues depuis 2016, lorsque les scientifiques ont annoncé qu'ils avaient trouvé trois planètes autour de l'étoile TRAPPIST-1 à l'aide du petit télescope des planètes en transit et des planétésimaux (TRAPPIST) au Chili. Observations ultérieures du télescope spatial Spitzer de la NASA, aujourd'hui à la retraite, en collaboration avec des télescopes au sol, confirmé deux des planètes originales et découvert cinq autres. Géré par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, Spitzer a observé le système pendant plus de 1, 000 heures avant d'être mis hors service en janvier 2020. Les télescopes spatiaux Hubble de la NASA et Kepler, aujourd'hui à la retraite, ont également étudié le système.
Les sept planètes TRAPPIST-1, qui sont si proches de leur étoile qu'ils se situeraient dans l'orbite de Mercure, ont été trouvés via la méthode du transit :les scientifiques ne peuvent pas voir les planètes directement (elles sont trop petites et faibles par rapport à l'étoile), ils recherchent donc les baisses de luminosité de l'étoile créées lorsque les planètes se croisent devant elle.
Ce graphique présente les propriétés mesurées des sept exoplanètes TRAPPIST-1 (marquées de b à h), montrant comment ils s'empilent les uns aux autres ainsi qu'à la Terre et aux autres mondes rocheux intérieurs de notre propre système solaire. Les tailles relatives des planètes sont indiquées par les cercles. Toutes les planètes connues de TRAPPIST-1 sont plus grandes que Mars, avec 5 d'entre eux à moins de 15% du diamètre de la Terre. Les "zones habitables" correspondantes des deux systèmes planétaires, des régions où une planète semblable à la Terre pourrait potentiellement contenir de l'eau liquide à sa surface, sont indiqués près du haut du graphique. Le décalage entre les deux zones est dû au fait que l'étoile TRAPPIST-1, plus froide, émet davantage de lumière sous forme de rayonnement infrarouge qui est absorbé plus efficacement par une atmosphère semblable à la Terre. Comme il faut moins d'éclairage pour atteindre les mêmes températures, la zone habitable s'éloigne davantage de l'étoile. Les masses et les densités des planètes TRAPPIST-1 ont été déterminées par des mesures minutieuses de légères variations dans le timing de leurs orbites à l'aide d'observations approfondies faites par les télescopes spatiaux Spitzer et Kepler de la NASA, en combinaison avec les données de Hubble et d'un certain nombre de télescopes au sol. La dernière analyse, qui comprend le record complet de Spitzer de plus de 1, 000 heures d'observations TRAPPIST-1, a réduit les incertitudes des mesures de masse à seulement 2 à 3 %. Ce sont de loin les mesures les plus précises des masses planétaires en dehors de notre système solaire. Crédit :NASA/JPL-Caltech
Des observations répétées des creux de la lumière des étoiles combinées à des mesures de la synchronisation des orbites des planètes ont permis aux astronomes d'estimer les masses et les diamètres des planètes, qui ont à leur tour été utilisés pour calculer leurs densités. Les calculs précédents ont déterminé que les planètes ont à peu près la taille et la masse de la Terre et doivent donc également être rocheuses, ou terrestre - par opposition à dominé par le gaz, comme Jupiter et Saturne. Le nouveau document offre les mesures de densité les plus précises à ce jour pour n'importe quel groupe d'exoplanètes, des planètes situées au-delà de notre système solaire.
Le règne de fer
Plus les scientifiques connaissent précisément la densité d'une planète, plus ils peuvent imposer de limites à sa composition. Considérez qu'un presse-papier peut avoir à peu près la même taille qu'une balle de baseball, mais qu'il est généralement beaucoup plus lourd. Ensemble, la largeur et le poids révèlent la densité de chaque objet, et à partir de là, il est possible de déduire que la balle de baseball est faite de quelque chose de plus léger (corde et cuir) et que le presse-papier est fait de quelque chose de plus lourd (généralement du verre ou du métal).
Les densités des huit planètes de notre propre système solaire varient considérablement. Le bouffi, géantes dominées par le gaz—Jupiter, Saturne, Uranus, et Neptune - sont plus grands mais beaucoup moins denses que les quatre mondes terrestres car ils sont composés principalement d'éléments plus légers comme l'hydrogène et l'hélium. Même les quatre mondes terrestres montrent une certaine variété dans leurs densités, qui sont déterminés à la fois par la composition d'une planète et par la compression due à la gravité de la planète elle-même. En soustrayant l'effet de la gravité, les scientifiques peuvent calculer ce qu'on appelle la densité non compressée d'une planète et potentiellement en apprendre davantage sur la composition d'une planète.
Les sept planètes TRAPPIST-1 possèdent des densités similaires - les valeurs ne diffèrent pas de plus de 3%. Cela rend le système assez différent du nôtre. La différence de densité entre les planètes TRAPPIST-1 et la Terre et Vénus peut sembler faible – environ 8 % – mais elle est significative à l'échelle planétaire. Par exemple, une façon d'expliquer pourquoi les planètes TRAPPIST-1 sont moins denses est qu'elles ont une composition similaire à la Terre, mais avec un pourcentage de fer plus faible - environ 21% par rapport aux 32% de la Terre, selon l'étude.
Alternativement, le fer des planètes TRAPPIST-1 pourrait être infusé avec des niveaux élevés d'oxygène, formation d'oxyde de fer, ou de rouille. L'oxygène supplémentaire diminuerait les densités des planètes. La surface de Mars tire sa teinte rouge de l'oxyde de fer, mais comme ses trois frères et sœurs terrestres, il a un noyau composé de fer non oxydé. Par contre, si la densité plus faible des planètes TRAPPIST-1 était entièrement causée par le fer oxydé, les planètes devraient être rouillées partout et ne pourraient pas avoir de noyaux de fer solides.
Éric Agol, astrophysicien à l'Université de Washington et auteur principal de la nouvelle étude, a déclaré que la réponse pourrait être une combinaison des deux scénarios :moins de fer dans l'ensemble et un peu de fer oxydé.
L'équipe a également cherché à savoir si la surface de chaque planète pouvait être recouverte d'eau, qui est encore plus légère que la rouille et qui modifierait la densité globale de la planète. Si tel était le cas, l'eau devrait représenter environ 5% de la masse totale des quatre planètes extérieures. Par comparaison, l'eau représente moins d'un dixième de 1% de la masse totale de la Terre.
Parce qu'ils sont placés trop près de leur étoile pour que l'eau reste liquide dans la plupart des cas, les trois planètes intérieures TRAPPIST-1 auraient besoin de chaleur, atmosphères denses comme celle de Vénus, de telle sorte que l'eau puisse rester liée à la planète sous forme de vapeur. Mais Agol dit que cette explication semble moins probable car ce serait une coïncidence pour les sept planètes d'avoir juste assez d'eau présente pour avoir des densités aussi similaires.
"Le ciel nocturne est plein de planètes, et ce n'est qu'au cours des 30 dernières années que nous avons pu commencer à percer leurs mystères, " a déclaré Caroline Dorn, astrophysicien à l'Université de Zurich et co-auteur de l'article. "Le système TRAPPIST-1 est fascinant car autour de cette étoile, nous pouvons en apprendre davantage sur la diversité des planètes rocheuses au sein d'un même système. Et nous pouvons en fait en apprendre davantage sur une planète en étudiant également ses voisines, donc ce système est parfait pour ça."
