A seulement 1% de l'âge du soleil, le système binaire DS Tuc nous montre comment une planète peut se développer naturellement avant que son orbite ne soit perturbée par des forces extérieures.

Une jeune planète située à 150 années-lumière a donné aux astrophysiciens de l'UNSW Sydney une rare chance d'étudier un système planétaire en devenir.

Les résultats, récemment publié dans le Journal astronomique , suggèrent que la planète DS Tuc Ab, qui orbite autour d'une étoile dans un système binaire, s'est formée sans être fortement impactée par l'attraction gravitationnelle de la deuxième étoile.

"Nous nous attendions à ce que l'attraction de la deuxième étoile incline le disque rotatif de gaz et de poussière qui entourait autrefois l'étoile principale - un processus qui fausserait l'orbite de la planète, " dit le Dr Benjamin Montet, Scientia Fellow à UNSW Sydney et auteur principal de l'étude.

"Étonnamment, nous n'avons trouvé aucune preuve que l'orbite de la planète ait été touchée. Nous avons également découvert que la planète s'était formée par des processus relativement calmes, ce qui signifie qu'il pourrait être possible pour des planètes semblables à la Terre de survivre dans des systèmes binaires comme celui-ci."

Le Dr Montet a travaillé avec une équipe internationale de chercheurs aux télescopes Magellan situés à l'observatoire de Las Campanas au Chili. Ils ont utilisé le spectrographe Planet Finder pour mesurer l'effet Rossiter-McLaughlin, qui est l'angle relatif entre l'orbite de la planète et le spin de son étoile.

Ils ont découvert que la planète DS Tuc Ab orbite autour de son étoile dans un plan relativement plat, à environ 12 degrés d'inclinaison de l'axe de rotation de l'étoile. Cette faible inclinaison, appelée obliquité, suggère que l'attraction de l'étoile compagnon n'a pas significativement incliné l'orbite du disque protoplanétaire où DS Tuc Ab s'est formé.

Alors que les planètes du système solaire ont toutes une faible obliquité, c'est inhabituel pour des planètes comme DS Tuc Ab.

"La plupart des planètes similaires orbitent autour de leur étoile à des angles aléatoires, atteignant parfois jusqu'à 90 degrés au-dessus de l'axe de leur étoile, " dit le Dr Montet.

"Le système DS Tuc est la première preuve que les angles orbitaux plus élevés ne sont pas définis tôt dans la vie d'une étoile - ils sont un effet qui ne se produit que plus tard."

A 40 millions d'années, le géant gazier DS Tuc Ab est considéré comme un « pré-adolescent » dans les années planétaires. Il y a moins de dix planètes que nous connaissons qui sont aussi jeunes.

Son âge est une chance unique pour les astrophysiciens d'étudier un système en développement avant que des influences extérieures n'interfèrent.

"Pour savoir combien de temps durent les systèmes planétaires, nous avons besoin de systèmes trop jeunes pour passer par des interactions dynamiques, mais assez vieux pour avoir formé des planètes. Le système DS Tuc est exactement dans ce créneau, " dit le Dr Montet.

DS Tuc Ab :un « Hot Neptune »

La planète DS Tuc Ab est une planète gazeuse de la taille de Neptune qui orbite étroitement et rapidement autour de son étoile :un tour autour de son étoile ne prend que 8,1 jours. Ces types de planètes sont connus sous le nom de « Hot Neptunes » pour leur vitesse rapide et leur proximité avec leurs étoiles.

Les Neptunes chaudes ne ressemblent à rien de ce que nous avons dans le système solaire.

Même la planète la plus petite et la plus proche de notre soleil, Mercure, met près de 100 jours pour terminer son orbite. Notre planète gazeuse la plus proche, Jupiter, prend plus de 4300 jours.

Il est peu probable que les planètes gazeuses géantes se développent près de leurs étoiles. La compréhension actuelle est qu'ils se forment plus loin et, heures supplémentaires, une force les fait se rapprocher de leurs étoiles.

Les scientifiques veulent savoir quelle est cette force.

"Il y a deux théories principales sur la façon dont Hot Neptunes est devenu si proche de leurs étoiles, " dit le Dr Montet.

"Une théorie est qu'une force externe - potentiellement une collision à proximité de plusieurs corps - les " pousse " plus près, où ils vacillent et finissent par s'installer sur une nouvelle orbite.

"Une autre théorie est que des processus fluides au sein du disque planétaire créent une force qui rapproche progressivement la planète de l'étoile."

Tester l'obliquité peut aider les scientifiques à découvrir quelle force était en jeu. Les planètes à faible obliquité sont censées être formées par des processus de disques lisses, tandis que des processus plus dramatiques conduiront à des obliquités aléatoires ou élevées.

Cependant, les astrophysiciens ont récemment été intrigués par la suggestion que de larges étoiles binaires peuvent incliner l'orbite de jeunes planètes autour de leurs étoiles - alors que ce processus serait fluide, il en résulterait des planètes avec des inclinaisons orbitales élevées.

"Si vrai, cela bouleverserait notre théorie de la formation des planètes !", déclare le Dr Montet.

Bien que cette théorie n'ait pas été soutenue par la faible obliquité de DS Tuc Ab, les scientifiques se tournent vers le ciel pour tester davantage de jeunes systèmes binaires.

La prochaine génération de systèmes planétaires

Lorsqu'il s'agit d'apprendre des systèmes stellaires, bon nombre des systèmes que nous pouvons observer aujourd'hui fournissent une histoire inexacte du passé du système.

« Les systèmes actuels ne sont pas de purs laboratoires, " dit le Dr Montet.

« Sur des milliards d'années, les interactions planète-planète et planète-étoile peuvent se disperser, couple, émigrer, et perturber les orbites, rendant ce que nous voyons aujourd'hui très différent de la façon dont ils se sont initialement formés."

Les planètes mettent entre 10 et 100 millions d'années à se former, mais la plupart des planètes visibles depuis la Terre sont beaucoup plus anciennes. Le système DS Tuc a 45 millions d'années, soit seulement 1 % de l'âge du soleil.

"DS Tuc Ab est à un âge intéressant, " dit le Dr Montet. " Le disque protoplanétaire s'est dissipé, et nous pouvons voir la planète, mais il est encore trop jeune pour que l'orbite d'autres étoiles lointaines puisse manipuler sa trajectoire.

"Cela nous donne la chance de comprendre la dynamique de formation des planètes d'une manière qu'une étoile de cinq milliards d'années ne comprend pas."

DS Tuc A est la plus jeune étoile pour laquelle l'alignement spin-orbite n'a jamais été mesuré.

Cherchant les cieux

DS Tuc Ab n'est visible que depuis l'hémisphère sud. Il a été découvert l'année dernière grâce à la mission TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA, une mission d'étude du ciel qui vise à découvrir des milliers d'exoplanètes à proximité d'étoiles brillantes.

Montet a travaillé en étroite collaboration avec des chercheurs des universités Harvard et Carnegie, qui a également mesuré l'obliquité de DS Tuc Ab mais a utilisé la méthode de tomographie Doppler.

"Les premières recherches d'exoplanètes ont été effectuées dans des installations de l'hémisphère nord, et donc ils ont raté beaucoup de planètes loin au sud, " dit le Dr Montet.

"La mission TESS de la NASA est en train de changer cela. Elle trouve toutes ces planètes autour d'étoiles qui n'avaient pas été recherchées auparavant."

Le Dr Montet et son équipe mènent un effort pour trouver et caractériser plus de planètes autour de jeunes étoiles. Ils espèrent étudier comment l'activité stellaire, tels que les fusées éclairantes stellaires et les taches stellaires, pourrait affecter la détection et l'habitabilité de la planète.

"Trouver de jeunes planètes est un défi. Nous devons vraiment comprendre le comportement de l'étoile parente pour pouvoir trouver les signaux peu profonds de ces planètes qui peuvent être submergés par les taches stellaires et les éruptions, " dit Adina Feinstein, un chercheur diplômé de la National Science Foundation à l'Université de Chicago et co-auteur de l'étude.

"Il n'y a aucune raison pour que des planètes semblables à la Terre ne puissent pas se former et survivre dans des systèmes Hot Neptune comme celui-ci, " dit le Dr Montet.

"Nous devons juste sortir et les trouver."