Figure 1 :Cette illustration montre à quoi pourrait ressembler le système TRAPPIST-1 depuis un point de vue près de la planète TRAPPIST-1f (à droite). Crédit :Institut SETI
Il y a un an, J'ai écrit un article sur la découverte remarquable du système planétaire TRAPPIST-1, un système de sept planètes telluriques tempérées en orbite autour d'une étoile naine rouge ultra-froide. Ce fut une énorme découverte astronomique car ces étoiles de faible masse sont les plus nombreuses de notre galaxie, et la découverte de planètes potentiellement habitables autour de l'une d'entre elles a conduit de nombreuses personnes à spéculer sur l'existence de la vie là-bas et ailleurs dans notre galaxie autour d'étoiles similaires.
Cette annonce a également inspiré de nombreuses études supplémentaires par des astronomes du monde entier, qui ont utilisé des instruments supplémentaires et exécuté des modèles complexes pour mieux comprendre ce système planétaire et son potentiel d'accueil de la vie.
Un an plus tard, il me semble que le moment est venu de vous faire le point sur ce que nous avons appris sur ce système planétaire, qui est situé à seulement 41 années-lumière de la Terre.
Meilleure compréhension du système planétaire
Entre décembre 2016 et mars 2017, des données supplémentaires sur TRAPPIST-1 ont été collectées à l'aide du vaisseau spatial Kepler dans le programme K2. Kepler a été conçu pour mesurer les transits d'exoplanètes, mais les observations de TRAPPIST-1 ont été un énorme défi, même pour ce remarquable vaisseau spatial de chasse aux planètes, car TRAPPIST-1 est très faible dans la lumière visible. Au cours de sa vie, les astronomes ont beaucoup appris sur les nombreuses capacités de Kepler, y compris de meilleurs moyens d'atteindre la sensibilité nécessaire pour détecter les signatures des transits de type TRAPPIST-1 (typiquement 0,1% du flux de l'étoile). Les auteurs d'un article publié en mai 2017 dans La nature ont pu contraindre la période orbitale de la planète la plus éloignée, TRAPPIST-1h (P=18,766 jours). Leurs travaux montrent que les sept planètes sont, comme suspecté, en résonances à trois corps dans une chaîne complexe qui suggère une bonne stabilité sur une très longue période de temps.
Figure 2 :Densité et flux incident révisés reçus par les planètes TRAPPIST-1 (en rouge) par rapport aux planètes telluriques de notre système solaire (d'après Grimms et al. 2018). Crédit :Institut SETI
Gardez à l'esprit que nous ne voyons pas les planètes mais détectons seulement leur ombre en utilisant la technique du transit qui nous donne une bonne estimation de la taille d'une planète et de son orbite. Cependant, pour vraiment comprendre la nature d'une planète, nous devons également déterminer sa densité, et donc sa masse. Dans un effort pour estimer la masse dans plusieurs systèmes, les astronomes ont utilisé une technique appelée variations de temps de transit (ou TTV). Cette technique consiste à mesurer un petit décalage dans le timing d'un transit causé par l'interaction gravitationnelle avec les autres planètes du système. À l'aide d'un nouvel algorithme et d'un ensemble complet de données, y compris les données de TRAPPIST et K2, une équipe de scientifiques a considérablement amélioré les mesures de densité des planètes TRAPPIST-1, qui vont de 0,6 à 1,0 fois la densité de la Terre, ou une mesure de densité similaire à ce que nous voyons dans les planètes telluriques de notre système solaire. Si nous considérons également la quantité de lumière que nous recevons de ces planètes, TRAPPIST-1 e est probablement le plus semblable à la Terre du système. Un article publié en février 2018 comprenait également une discussion sur l'intérieur de ces planètes et suggérait que TRAPPIST-1 c et e avaient de grands intérieurs rocheux et -b, -ré, -F, -g doit avoir des atmosphères épaisses, océans, ou des croûtes glacées.
Pour comprendre un système planétaire, nous avons besoin d'informations précises sur son objet le plus massif, son étoile. Les astronomes stellaires ont amélioré leur connaissance de l'étoile de TRAPPIST-1 et estiment désormais son âge entre 5 et 10 milliards d'années, ce qui le rend plus vieux que notre soleil. Cette estimation est basée sur différentes méthodes, y compris l'étude de son activité, son taux de rotation, et son emplacement dans la Voie lactée. Sa masse a également été revue à 9% la masse de notre soleil, ce qui affecte légèrement la distance de la planète à l'étoile hôte.
En observant le système TRAPPIST, les astronomes ont également détecté de fortes éruptions stellaires (voir, par exemple, vers la fin des observations K2). La surveillance UV par le télescope spatial Hubble et par XMM/Newton combinée à la modélisation a révélé que les planètes intérieures peuvent avoir perdu une grande quantité d'eau, mais les plus externes conservent probablement la plupart des leurs. La complexité de ces modèles de dégazage et des interactions avec le vent stellaire, lorsqu'il est combiné avec des masses planétaires, sont essentiels pour comprendre la nature des planètes de TRAPPIST-1 et leur habitabilité potentielle.
Dynamicistes, qui représentent une autre sous-discipline astronomique importante, se sont également intéressés à ce système complexe. Avec sept planètes entourant une étoile de faible masse, on peut légitimement s'interroger sur la stabilité du système. Leurs modèles nous montrent que le système peut être stable sur des milliards d'années, ce qui est une excellente nouvelle si vous voulez que la vie s'y épanouisse.
Figure 3 :Les observations de Hubble ont révélé que les planètes n'ont pas d'atmosphères dominées par l'hydrogène. Le spectre plus plat montré dans l'illustration du bas indique que Hubble n'a détecté aucune trace d'eau ou de méthane, qui sont abondants dans les atmosphères riches en hydrogène. Crédit :NASA, ESA et Z. Levy (STScI
Nouvelles expériences et idées innovantes
Nous avons maintenant la preuve sans ambiguïté de l'existence des planètes TRAPPIST-1, et nous connaissons leurs orbites, leur taille, et leur masse, mais il reste encore beaucoup à apprendre avant de pouvoir prétendre qu'ils ont de l'eau liquide à leur surface, et nous devons en savoir bien plus que cela avant de pouvoir conclure que ces planètes pourraient être habitables, ou habité.
L'un des principaux défis du calcul de la température de surface d'une planète est l'existence et la composition de son atmosphère. L'atmosphère peut agir comme une couverture, réchauffer la surface de la planète. En utilisant le télescope spatial Hubble, les astronomes ont tenté de détecter la présence d'atmosphères riches en hydrogène autour des planètes TRAPPIST-1 d, e, F, et g. Les événements de transit multicolores pris dans le proche infrarouge ont exclu une telle atmosphère pour les planètes d, e, et f. Une atmosphère dominée par H2 conduirait à des températures et des pressions de surface élevées, incompatibles avec la présence d'eau liquide. Cette détection négative suggère que ces planètes pourraient avoir une atmosphère semblable à la Terre avec un climat de surface tempéré, ce qui est plus une bonne nouvelle si, comme moi, vous êtes intéressé par l'habitabilité.
Si la vie apparaissait sur une planète TRAPPIST-1 à un moment où elle était hospitalière, quelles sont les chances qu'il se propage dans tout le système ? Deux astronomes ont discuté de cette hypothèse dans un court article publié en juin 2017 et ont utilisé un modèle simple pour la lithopanspermie (le transfert d'organismes dans les roches d'une planète à une autre soit par interplanétaire) pour découvrir que la probabilité que cela se produise est d'un ordre de grandeur plus élevé que pour le système Terre-Mars. Dans TRAPPIST-1 compact, la probabilité d'impact est plus élevée et le temps de transit entre les planètes est plus court, ce qui rend la contamination entre les planètes plus probable. Ils ont conclu que la probabilité d'abiogenèse (l'apparition de la vie) est renforcée pour TRAPPIST-1. Bien sûr, il s'agit d'une pure spéculation basée sur des considérations physiques qui doivent être étayées par des observations, mais cela a renforcé l'importance de trouver de tels systèmes mini-planétaires compacts ailleurs dans la galaxie.
La vie peut exister sur les lunes comme sur les planètes, et une lune peut contribuer de manière significative à la présence de la vie, car sa simple présence peut stabiliser l'axe de rotation de la planète et créer des bassins de marée qui peuvent être nécessaires à la formation et à l'interaction de molécules complexes. Aucune lune n'a été détectée autour des planètes TRAPPIST-1, même si les observations de Spitzer ont pu détecter une lune aussi grande que celle de la Terre. Une étude théorique montre qu'il est peu probable que les planètes intérieures (-b à -e) aient de petites lunes en raison de la proximité de leur étoile et d'autres planètes. Nous ne sommes pas encore en mesure de détecter la présence d'une petite lune encerclant l'une des planètes les plus éloignées, et ne pourra pas en détecter un sans utiliser de plus gros télescopes dans l'espace et au sol.
Le chauffage par induction est un procédé utilisé sur Terre pour faire fondre le métal. Cela se produit lorsque nous modifions le champ magnétique dans un milieu conducteur, qui dissipe ensuite l'énergie par la chaleur. Les astronomes savent depuis quelques années que les étoiles de type M comme TRAPPIST-1 ont un fort champ magnétique. Un groupe d'astronomes a étudié l'effet d'un champ magnétique aussi puissant à l'intérieur des planètes dans un système incliné par rapport au champ magnétique de leur étoile. En supposant un intérieur planétaire et une composition similaires à la Terre, ils ont déterminé que les trois planètes les plus intérieures (-b, -c, -d) devrait connaître une activité volcanique et un dégazage accrus, et dans certains cas extrêmes ont développé un océan de magma avec une tectonique des plaques et des tremblements de terre à grande échelle, comparable à Io, un satellite de Jupiter. De nouveau, ce résultat est extrêmement dépendant du modèle car nous n'avons pas encore une idée claire de la composition interne de ces planètes, ce qui affectera directement la force du chauffage par induction. Cependant, s'ils ont vraiment une composition semblable à la Terre, ils pourraient être une version infernale de notre propre planète.
Figure 4 :Une comparaison entre les images de Pluton obtenues par New Horizons par imagerie directe et le télescope spatial Hubble par reconstruction de courbe de lumière. Crédit :NASA; Photo combinée et étiquetée par S. Hariri
D'autres scientifiques ont également discuté de l'existence d'une tectonique des plaques importante et de tremblements de terre intenses dans ce système en raison du stress des marées introduit par les interactions planète-étoile et planète-planète. Si l'activité est bonne, certaines des planètes TRAPPIST-1 pourraient en effet être similaires à la Terre avec l'équivalent de plaques continentales, fonds marins, et volcans actifs, mais un jour, nous aurons besoin de prendre une photo pour le confirmer.
Et après?
J'ai résumé certains des derniers articles publiés au cours des deux dernières années sur le merveilleux système TRAPPIST-1. Cette liste n'est pas exhaustive et j'ai probablement raté quelques idées intéressantes et nouvelles hypothèses sur ce système complexe.
Mais une chose est claire comme du cristal :mes lectures m'ont laissé (ainsi que beaucoup d'autres personnes) enthousiasmés par ce que nous pourrions trouver à partir d'observations supplémentaires avec de grands télescopes au sol, y compris un télescope extrêmement grand (comme le TMT, ELT, ou GMT), ou le télescope spatial James Webb (JWST). Chacune de ces facilités est nécessaire pour contraindre nos modèles et affiner notre compréhension de ce système. Par exemple, la surveillance à long terme du système avec ces installations imposera des contraintes supplémentaires sur la présence de lunes dans le système. En utilisant la photométrie précise rendue possible par JWST, les astronomes espèrent contraindre les masses et les orbites planétaires avec une grande précision, dériver la composition de leurs atmosphères, construire des cartes de température brutes de toutes les planètes du système TRAPPIST-1.
Après 2020, si tout se passe bien avec JWST et si le télescope spatial fournit les superbes données que nous attendons, nous pourrions avoir une carte brute des planètes TRAPPIST-1, similaire à l'image approximative de Pluton réalisée avec le télescope spatial Hubble et validée plus tard par le vaisseau spatial New Horizons.
En moins de deux décennies, les systèmes planétaires proches comme TRAPPIST-1 deviendront notre arrière-cour cosmique, et si tout se passe comme prévu avec des missions comme TESS, PLATON, ARIEL, et JWST ainsi que les ELT, nous connaîtrons bientôt les secrets de ces mondes exotiques qui, Je suis convaincu, nous surprendra par leur diversité, tout comme notre propre système solaire nous a surpris au cours des deux dernières décennies, nous surprend aujourd'hui, et continuera sûrement à nous surprendre à l'avenir.
