Les trois planètes du système TOI 700 orbitent autour d'une petite, cool étoile naine M. TOI 700 d est le premier monde à zone habitable de la taille de la Terre découvert par TESS. Crédit :Goddard Space Flight Center de la NASA
Le satellite Transiting Exoplanet Survey (TESS) de la NASA a découvert sa première planète de la taille de la Terre dans la zone habitable de son étoile, la gamme de distances où les conditions peuvent être justes pour permettre la présence d'eau liquide à la surface. Les scientifiques ont confirmé la découverte, appelé TOI 700 d, en utilisant le télescope spatial Spitzer de la NASA et ont modélisé les environnements potentiels de la planète pour aider à éclairer les futures observations.
TOI 700 d est l'une des rares planètes de la taille de la Terre découvertes jusqu'à présent dans la zone habitable d'une étoile. D'autres incluent plusieurs planètes du système TRAPPIST-1 et d'autres mondes découverts par le télescope spatial Kepler de la NASA.
"TESS a été conçu et lancé spécifiquement pour trouver des planètes de la taille de la Terre en orbite autour d'étoiles proches, " a déclaré Paul Hertz, directeur de la division d'astrophysique au siège de la NASA à Washington. "Les planètes autour des étoiles proches sont plus faciles à suivre avec de plus grands télescopes dans l'espace et sur Terre. La découverte de TOI 700 d est une découverte scientifique clé pour TESS. Confirmer la taille de la planète et le statut de zone habitable avec Spitzer est une autre victoire pour Spitzer à l'approche la fin des opérations scientifiques en janvier."
TESS surveille de larges pans du ciel, appelés secteurs, pendant 27 jours à la fois. Ce long regard permet au satellite de suivre les changements de luminosité stellaire causés par une planète en orbite passant devant son étoile de notre point de vue, un événement appelé transit.
TOI 700 est un petit étoile naine M fraîche située à un peu plus de 100 années-lumière dans la constellation australe Dorado. C'est environ 40% de la masse et de la taille du Soleil et environ la moitié de sa température de surface. L'étoile apparaît dans 11 des 13 secteurs TESS observés au cours de la première année de mission, et les scientifiques ont attrapé de multiples transits par ses trois planètes.
L'étoile a été classée à tort dans la base de données TESS comme étant plus similaire à notre Soleil, ce qui signifiait que les planètes semblaient plus grandes et plus chaudes qu'elles ne le sont réellement. Plusieurs chercheurs, dont Alton Spencer, un lycéen travaillant avec des membres de l'équipe TESS, identifié l'erreur.
"Quand nous avons corrigé les paramètres de l'étoile, la taille de ses planètes a chuté, et nous avons réalisé que le plus extérieur était à peu près de la taille de la Terre et dans la zone habitable, " dit Emily Gilbert, un étudiant diplômé de l'Université de Chicago. "En outre, en 11 mois de données, nous n'avons vu aucune éruption de l'étoile, ce qui améliore les chances que TOI 700 d soit habitable et facilite la modélisation de ses conditions atmosphériques et de surface."
Gilbert et d'autres chercheurs ont présenté les résultats lors de la 235e réunion de l'American Astronomical Society à Honolulu, et trois articles, dont l'un dirigé par Gilbert, ont été soumis à des revues scientifiques.
La planète la plus intime, appelé TOI 700 b, est presque exactement de la taille de la Terre, est probablement rocheuse et complète une orbite tous les 10 jours. La planète du milieu, TOI 700c, est 2,6 fois plus grande que la Terre - entre les tailles de la Terre et de Neptune - orbite tous les 16 jours et est probablement un monde dominé par le gaz. TOI 700j, la planète connue la plus éloignée du système et la seule de la zone habitable, mesure 20% plus grand que la Terre, orbite tous les 37 jours et reçoit de son étoile 86% de l'énergie que le Soleil fournit à la Terre. On pense que toutes les planètes sont liées par la marée à leur étoile, ce qui signifie qu'ils tournent une fois par orbite de sorte qu'un côté soit constamment baigné de lumière du jour.
Une équipe de scientifiques dirigée par Joseph Rodriguez, un astronome au Centre d'Astrophysique | Harvard et Smithsonian à Cambridge, Massachusetts, a demandé des observations de suivi avec Spitzer pour confirmer TOI 700 d.
"Compte tenu de l'impact de cette découverte - qu'il s'agit de la première planète de la taille de la Terre à zone habitable de TESS - nous voulions vraiment que notre compréhension de ce système soit aussi concrète que possible, " a déclaré Rodriguez. " Spitzer a vu le TOI 700 d transiter exactement au moment où nous l'avions prévu. C'est un excellent ajout à l'héritage d'une mission qui a permis de confirmer deux des planètes TRAPPIST-1 et d'en identifier cinq autres."
Les données de Spitzer ont accru la confiance des scientifiques dans le fait que TOI 700 d est une vraie planète et ont affiné leurs mesures de sa période orbitale de 56% et sa taille de 38%. Il a également exclu d'autres causes astrophysiques possibles du signal de transit, comme la présence d'un plus petit, étoile compagnon gradateur dans le système.
Rodriguez et ses collègues ont également utilisé des observations de suivi d'un télescope au sol de 1 mètre dans le réseau mondial de l'observatoire de Las Cumbres pour améliorer la confiance des scientifiques dans la période orbitale et la taille de TOI 700 c de 30% et 36%, respectivement.
Parce que TOI 700 est lumineux, proche, et ne montre aucun signe d'éruptions stellaires, the system is a prime candidate for precise mass measurements by current ground-based observatories. These measurements could confirm scientists' estimates that the inner and outer planets are rocky and the middle planet is made of gas.
Future missions may be able to identify whether the planets have atmospheres and, if so, even determine their compositions.
While the exact conditions on TOI 700 d are unknown, scientists can use current information, like the planet's size and the type of star it orbits, to generate computer models and make predictions. Researchers at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, modeled 20 potential environments of TOI 700 d to gauge if any version would result in surface temperatures and pressures suitable for habitability.
Their 3-D climate models examined a variety of surface types and atmospheric compositions typically associated with what scientists regard to be potentially habitable worlds. Because TOI 700 d is tidally locked to its star, the planet's cloud formations and wind patterns may be strikingly different from Earth's.
One simulation included an ocean-covered TOI 700 d with a dense, carbon-dioxide-dominated atmosphere similar to what scientists suspect surrounded Mars when it was young. The model atmosphere contains a deep layer of clouds on the star-facing side. Another model depicts TOI 700 d as a cloudless, all-land version of modern Earth, where winds flow away from the night side of the planet and converge on the point directly facing the star.
When starlight passes through a planet's atmosphere, it interacts with molecules like carbon dioxide and nitrogen to produce distinct signals, called spectral lines. The modeling team, led by Gabrielle Engelmann-Suissa, a Universities Space Research Association visiting research assistant at Goddard, produced simulated spectra for the 20 modeled versions of TOI 700 d.
"Someday, when we have real spectra from TOI 700 d, we can backtrack, match them to the closest simulated spectrum, and then match that to a model, " Engelmann-Suissa said. "It's exciting because no matter what we find out about the planet, it's going to look completely different from what we have here on Earth."