Des chercheurs du département de physique et d'astronomie de Penn ont développé une nouvelle méthode pour mieux comprendre la relation entre la composition chimique d'une étoile et la formation de la planète. L'étude a été dirigée par le récent diplômé Jacob Nibauer pour sa thèse avec Bhuvnesh Jain et a été co-supervisée par l'ancien postdoctorant Penn Eric Baxter. Les chercheurs ont découvert que la majorité des étoiles de leur ensemble de données sont de composition similaire au soleil, quelque peu en contradiction avec les travaux antérieurs et impliquant que de nombreuses étoiles de la Voie lactée pourraient héberger leurs propres planètes semblables à la Terre. Ces résultats ont été présentés lors de la 238e conférence de l'American Astronomical Society et également publiés dans le Journal d'astrophysique .

La technique la plus courante pour trouver des exoplanètes, ceux qui existent en dehors du système solaire, implique la méthode du transit, lorsqu'une exoplanète se déplace entre son étoile et l'observateur et provoque une baisse de la luminosité de l'étoile. Alors que la plupart des exoplanètes connues ont été découvertes à l'aide de cette méthode, cette approche est limitée car les exoplanètes ne peuvent être détectées que lorsque leur orbite et l'observateur sont parfaitement alignés et ont des périodes d'orbite suffisamment courtes. La deuxième technique la plus puissante, la vitesse radiale ou méthode Doppler, a d'autres limitations dans sa capacité à trouver des planètes.

Cela pose la question, Si les planètes ne peuvent pas être détectées autour d'une étoile, leur existence peut-elle être déduite en étudiant l'étoile hôte ? Les chercheurs ont découvert que la réponse à cette question est un oui qualifié, avec de nouvelles méthodes aidant les astronomes à mieux comprendre comment la formation des exoplanètes est liée à la composition de l'étoile sur laquelle elles orbitent.

"L'idée est que les planètes et les étoiles naissent du même nuage natal, vous pouvez donc imaginer un scénario où une planète rocheuse se verrouille sur suffisamment de matière pour laisser la surface stellaire tardive appauvrie en ces éléments, " dit Nibauer. " L'objectif est de déterminer si les étoiles hébergeant des planètes sont différentes des étoiles sans planètes, et une façon de le faire est de rechercher des signatures de formation de planètes dans la composition de la surface stellaire. Heureusement, la composition d'une étoile, au moins de ses couches externes, peut être déduit de son spectre, la répartition de l'intensité lumineuse sur différentes fréquences."

Pour faire ça, les chercheurs ont utilisé les données de l'expérience d'évolution galactique de l'observatoire Apache Point (APOGEE-2), en se concentrant sur 1, 500 étoiles de la galaxie de la Voie lactée avec des données de composition chimique pour cinq éléments différents. La nouvelle contribution de Nibauer était d'appliquer les statistiques bayésiennes pour mesurer l'abondance de cinq formations rocheuses, ou "réfractaire, " éléments et séparent objectivement les populations d'étoiles en fonction de leurs compositions chimiques.

La méthode de Nibauer permet aux chercheurs d'observer les étoiles avec de faibles rapports signal/bruit, ou lorsque le fond de mesure peut être plus grand que le propre signal de l'étoile. « Ce cadre, plutôt que de se concentrer sur une base étoile par étoile, combine des mesures sur l'ensemble de la population permettant de caractériser la distribution globale des abondances chimiques, " dit Nibauer. " A cause de cela, nous sommes en mesure d'inclure des populations d'étoiles beaucoup plus importantes par rapport aux études précédentes."

Les chercheurs ont découvert que leur ensemble de données séparait parfaitement les étoiles en deux populations. Étoiles épuisées, qui constituent la majorité de l'échantillon, manquent des éléments réfractaires par rapport à la population non appauvrie. Cela pourrait indiquer que le matériau réfractaire manquant dans la population appauvrie est enfermé dans des planètes rocheuses. Ces résultats sont cohérents avec d'autres plus petits, des études ciblées d'étoiles qui utilisent des mesures de composition chimique plus précises. Cependant, l'interprétation de ces résultats diffère des études précédentes en ce que le soleil semble appartenir à une population qui constitue la majorité de l'échantillon.

"Les études précédentes étaient centrées sur le soleil, donc les étoiles sont comme le soleil ou pas, mais Jake a développé une méthodologie pour regrouper des étoiles similaires sans faire référence au soleil, " dit Jain. " C'est la première fois qu'une méthode qui 'laissent parler les données' avait trouvé deux populations, et nous pourrions alors placer le soleil dans l'un de ces groupes, qui s'est avéré être le groupe appauvri."

Cette étude fournit également une voie prometteuse pour identifier les étoiles individuelles qui peuvent avoir une probabilité plus élevée d'héberger leurs propres planètes, dit Nibauer. "L'objectif à long terme est d'identifier de grandes populations d'exoplanètes, et toute technique qui peut imposer une contrainte probabiliste quant à savoir si une étoile est susceptible d'être une planète hôte sans avoir à s'appuyer sur la méthode de transit habituelle est très précieuse, " il dit.

Et si les étoiles de la Voie Lactée s'épuisent est la norme, cela pourrait signifier que la majorité de ces étoiles pourraient être mises en orbite par des planètes semblables à la Terre, ouvrant la possibilité que les étoiles qui "manquent" des éléments plus lourds les ont simplement enfermées dans des exoplanètes rocheuses en orbite, bien que d'autres connexions possibles aux exoplanètes soient également explorées. « Ce serait passionnant s'il était confirmé par de futures analyses d'ensembles de données plus importants, " dit Jaïn.