De nouvelles observations détaillées avec les installations NOIRLab de la NSF révèlent une jeune exoplanète, en orbite autour d'une jeune étoile de l'amas des Hyades, qui est inhabituellement dense pour sa taille et son âge. Pesant à 25 masses terrestres, et légèrement plus petit que Neptune, l'existence de cette exoplanète est en contradiction avec les prédictions des principales théories de la formation des planètes.

De nouvelles observations de l'exoplanète, connu sous le nom de K2-25b, réalisé avec le télescope WIYN de 0,9 mètre à l'observatoire national de Kitt Peak (KPNO), un programme du NOIRLab de la NSF, le télescope Hobby-Eberly à l'observatoire McDonald et d'autres installations, soulèvent de nouvelles questions sur les théories actuelles de la formation des planètes. L'exoplanète s'est avérée inhabituellement dense pour sa taille et son âge, ce qui soulève la question de savoir comment elle a pu exister. Les détails des résultats apparaissent dans Le journal astronomique .

Légèrement plus petit que Neptune, K2-25b orbite autour d'une étoile naine M, le type d'étoile le plus répandu dans la galaxie, en 3,5 jours. Le système planétaire est membre de l'amas d'étoiles Hyades, un amas voisin de jeunes étoiles en direction de la constellation du Taureau. Le système a environ 600 millions d'années, et est situé à environ 150 années-lumière de la Terre.

Les planètes dont la taille est comprise entre celles de la Terre et de Neptune sont des compagnons communs aux étoiles de la Voie lactée, malgré le fait qu'aucune de ces planètes ne se trouve dans notre système solaire. Comprendre comment ces planètes "sous-Neptune" se forment et évoluent est une question de frontière dans les études des exoplanètes.

Les astronomes prédisent que les planètes géantes se forment en assemblant d'abord un modeste noyau de glace rocheuse de 5 à 10 fois la masse de la Terre, puis en s'enrobant dans une enveloppe gazeuse massive des centaines de fois la masse de la Terre. Le résultat est une géante gazeuse comme Jupiter. K2-25b brise toutes les règles de cette image conventionnelle :Avec une masse 25 fois supérieure à celle de la Terre et de taille modeste, K2-25b est presque entièrement à cœur et très peu d'enveloppe gazeuse. Ces propriétés étranges posent deux énigmes aux astronomes. D'abord, comment K2-25b a-t-il assemblé un si gros noyau, plusieurs fois la limite de masse terrestre 5-10 prédite par la théorie ? Et deuxieme, avec sa masse centrale élevée et la forte attraction gravitationnelle qui en résulte, comment a-t-il évité d'accumuler une enveloppe gazeuse importante ?

L'équipe qui étudie K2-25b a trouvé le résultat surprenant. "K2-25b est inhabituel, " a déclaré Gudmundur Stefansson, un boursier postdoctoral à l'Université de Princeton, qui a dirigé l'équipe de recherche. Selon Stefansson, l'exoplanète est plus petite que Neptune mais environ 1,5 fois plus massive. "La planète est dense pour sa taille et son âge, contrairement aux autres jeunes, planètes de taille inférieure à Neptune qui orbitent près de leur étoile hôte, " a déclaré Stefansson. "On observe généralement que ces mondes ont de faibles densités - et certains ont même des atmosphères d'évaporation étendues. K2-25b, avec les mesures en main, semble avoir un noyau dense, soit rocheux, soit riche en eau, avec une fine enveloppe."

Pour découvrir la nature et l'origine du K2-25b, les astronomes ont déterminé sa masse et sa densité. Bien que la taille de l'exoplanète ait été initialement mesurée avec le satellite Kepler de la NASA, la mesure de la taille a été affinée à l'aide de mesures de haute précision du télescope WIYN de 0,9 mètre de KPNO et du télescope de 3,5 mètres de l'observatoire Apache Point (APO) au Nouveau-Mexique. Les observations faites avec ces deux télescopes ont bénéficié d'une technique simple mais efficace qui a été développée dans le cadre de la thèse de doctorat de Stefansson. La technique utilise un composant optique intelligent appelé diffuseur d'ingénierie, qui peut être obtenu sur étagère pour environ 500 $. Il étend la lumière de l'étoile pour couvrir plus de pixels sur l'appareil photo, permettant de mesurer plus précisément la luminosité de l'étoile pendant le transit de la planète, et résultant en une mesure plus précise de la taille de la planète en orbite, entre autres paramètres.

"Le diffuseur innovant nous a permis de mieux définir la forme du transit et ainsi de contraindre davantage la taille, densité et composition de la planète, " a déclaré Jayadev Rajagopal, un astronome du NOIRLab qui a également participé à l'étude.

Pour son faible coût, le diffuseur délivre un retour scientifique hors normes. "Les télescopes à plus petite ouverture, lorsqu'il est équipé de l'état de l'art, mais pas cher, l'équipement peut être une plate-forme pour des programmes scientifiques à fort impact, " explique Rajagopal. " Une photométrie très précise sera demandée pour explorer les étoiles et les planètes hôtes en tandem avec des missions spatiales et de plus grandes ouvertures depuis le sol, et c'est une illustration du rôle qu'un télescope de taille modeste de 0,9 mètre peut jouer dans cet effort."

Grâce aux observations avec les diffuseurs disponibles sur les télescopes WIYN 0,9 mètre et APO 3,5 mètres, les astronomes sont désormais en mesure de prédire avec une plus grande précision quand K2-25b transitera par son étoile hôte. Alors qu'avant les transits ne pouvaient être prédits qu'avec une précision temporelle de 30 à 40 minutes, ils sont maintenant connus avec une précision de 20 secondes. L'amélioration est essentielle à la planification des observations de suivi avec des installations telles que l'observatoire international Gemini et le télescope spatial James Webb.

De nombreux auteurs de cette étude sont également impliqués dans un autre projet de chasse aux exoplanètes au KPNO :le spectromètre NEID sur le télescope WIYN de 3,5 mètres. Le NEID permet aux astronomes de mesurer le mouvement des étoiles proches avec une précision extrême, environ trois fois supérieure à celle de la génération précédente d'instruments à la pointe de la technologie, ce qui leur permet de détecter, déterminer la masse de, et caractériser des exoplanètes aussi petites que la Terre.