Une nouvelle étude fournit l'estimation la plus précise de la fréquence à laquelle des planètes similaires à la Terre en taille et en distance de leur étoile hôte se produisent autour d'étoiles similaires à notre Soleil. Connaître la vitesse à laquelle ces planètes potentiellement habitables se produisent sera important pour la conception de futures missions astronomiques visant à caractériser les planètes rocheuses voisines autour d'étoiles semblables au soleil qui pourraient abriter la vie. Un article décrivant le modèle paraît le 14 août 2019 dans Le Journal astronomique .

Des milliers de planètes ont été découvertes par le télescope spatial Kepler de la NASA. Kepler, qui a été lancé en 2009 et retiré par la NASA en 2018 lorsqu'il a épuisé son approvisionnement en carburant, observé des centaines de milliers d'étoiles et identifié des planètes en dehors de notre système solaire, des exoplanètes, en documentant les événements de transit. Les événements de transit se produisent lorsque l'orbite d'une planète passe entre son étoile et le télescope, bloquant une partie de la lumière de l'étoile pour qu'elle semble s'estomper. En mesurant la quantité de gradation et la durée entre les transits et en utilisant des informations sur les propriétés de l'étoile, les astronomes caractérisent la taille de la planète et la distance entre la planète et son étoile hôte.

"Kepler a découvert des planètes avec une grande variété de tailles, compositions et orbites, " a déclaré Eric B. Ford, professeur d'astronomie et d'astrophysique à Penn State et l'un des dirigeants de l'équipe de recherche. "Nous voulons utiliser ces découvertes pour améliorer notre compréhension de la formation des planètes et planifier de futures missions pour rechercher des planètes qui pourraient être habitables. Cependant, compter simplement des exoplanètes d'une taille ou d'une distance orbitale donnée est trompeur, car il est beaucoup plus difficile de trouver de petites planètes loin de leur étoile que de trouver de grandes planètes proches de leur étoile."

Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont conçu une nouvelle méthode pour déduire le taux d'occurrence des planètes sur une large gamme de tailles et de distances orbitales. Le nouveau modèle simule des « univers » d'étoiles et de planètes, puis « observe » ces univers simulés pour déterminer combien de planètes auraient été découvertes par Kepler dans chaque « univers ».

"Nous avons utilisé le catalogue final des planètes identifiées par Kepler et les propriétés améliorées des étoiles du vaisseau spatial Gaia de l'Agence spatiale européenne pour construire nos simulations, " a déclaré Danley Hsu, un étudiant diplômé à Penn State et le premier auteur de l'article. "En comparant les résultats aux planètes cataloguées par Kepler, nous avons caractérisé le taux de planètes par étoile et comment cela dépend de la taille de la planète et de la distance orbitale. Notre nouvelle approche a permis à l'équipe de tenir compte de plusieurs effets qui n'avaient pas été inclus dans les études précédentes. »

Les résultats de cette étude sont particulièrement pertinents pour la planification de futures missions spatiales visant à caractériser des planètes potentiellement semblables à la Terre. Alors que la mission Kepler découvrait des milliers de petites planètes, la plupart sont si éloignés qu'il est difficile pour les astronomes d'apprendre des détails sur leur composition et leurs atmosphères.

"Les scientifiques sont particulièrement intéressés par la recherche de biomarqueurs - des molécules indicatives de la vie - dans les atmosphères de planètes à peu près de la taille de la Terre qui orbitent dans la "zone habitable" des étoiles semblables au Soleil, " a déclaré Ford. " La zone habitable est une gamme de distances orbitales auxquelles les planètes pourraient supporter de l'eau liquide sur leurs surfaces. La recherche de preuves de la vie sur des planètes de la taille de la Terre dans la zone habitable des étoiles semblables au soleil nécessitera une nouvelle mission spatiale de grande envergure. »

La taille de cette mission dépendra de l'abondance de planètes de la taille de la Terre. La NASA et les National Academies of Science explorent actuellement des concepts de mission qui diffèrent considérablement par leur taille et leurs capacités. Si les planètes de la taille de la Terre sont rares, alors les planètes semblables à la Terre les plus proches sont plus éloignées et un grand, mission ambitieuse sera nécessaire pour rechercher des preuves de la vie sur des planètes potentiellement semblables à la Terre. D'autre part, si les planètes de la taille de la Terre sont communes, alors il y aura des exoplanètes de la taille de la Terre en orbite autour d'étoiles proches du soleil et un observatoire relativement petit pourra peut-être étudier leurs atmosphères.

"Alors que la plupart des étoiles observées par Kepler sont généralement à des milliers d'années-lumière du Soleil, Kepler a observé un échantillon d'étoiles suffisamment grand pour que nous puissions effectuer une analyse statistique rigoureuse pour estimer le taux de planètes de la taille de la Terre dans la zone habitable des étoiles proches du soleil", a déclaré Hsu.

Sur la base de leurs simulations, les chercheurs estiment que les planètes très proches de la Terre en taille, de trois quarts à une fois et demie la taille de la terre, avec des périodes orbitales allant de 237 à 500 jours, se produisent autour d'environ une étoile sur quatre. Surtout, leur modèle quantifie l'incertitude de cette estimation. Ils recommandent que les futures missions de recherche de planètes prévoient un taux réel allant d'environ une planète pour 33 étoiles à près d'une planète pour deux étoiles.

"Savoir à quelle fréquence nous devrions nous attendre à trouver des planètes d'une taille et d'une période orbitale données est extrêmement utile pour optimiser les relevés d'exoplanètes et la conception des missions spatiales à venir afin de maximiser leurs chances de succès, " a déclaré Ford. " Penn State est un chef de file dans l'application de méthodes statistiques et informatiques de pointe à l'analyse des observations astronomiques pour répondre à ce genre de questions. Notre Institut de CyberScience (ICS) et notre Centre d'Astrostatistique (CASt) fournissent l'infrastructure et le soutien qui rendent ce type de projets possibles."

Le Center for Exoplanets and Habitable Worlds de Penn State comprend des professeurs et des étudiants impliqués dans l'éventail complet de la recherche sur les planètes extrasolaires. Une équipe de Penn State a construit le localisateur de planètes de zone habitable, un instrument pour rechercher des planètes de faible masse autour d'étoiles froides, qui a récemment commencé ses opérations scientifiques au télescope Hobby-Eberly, dont Penn State est un partenaire fondateur. Un deuxième spectrographe construit par Penn State est en cours de test avant de commencer une enquête complémentaire pour découvrir et mesurer les masses de planètes de faible masse autour d'étoiles semblables au soleil. Cette étude fait des prédictions sur ce que de telles enquêtes planétaires trouveront et aidera à fournir un contexte pour interpréter leurs résultats.

En plus de Ford et Hsu, l'équipe de recherche comprend Darin Ragozzine et Keir Ashby à l'Université Brigham Young. La recherche a été soutenue par la NASA; la National Science Foundation (NSF) des États-Unis; et le Collège des sciences d'Eberly, le Département d'Astronomie et d'Astrophysique, le Centre des exoplanètes et des mondes habitables, et le Center for Astrostatistics de Penn State. Les ressources et services informatiques avancés ont été fournis par le Penn State Institute for CyberScience, y compris le cluster CyberLAMP financé par la NSF.