Un groupe international d'astronomes, dirigé par Martin Schlecker du Max Planck Institute for Astronomy, a trouvé que l'arrangement des rochers, planètes gazeuses et glacées dans les systèmes planétaires n'est apparemment pas aléatoire et ne dépend que de quelques conditions initiales. L'étude, qui paraîtra dans la revue scientifique Astronomie &Astrophysique , est basé sur une nouvelle simulation qui suit l'évolution des systèmes planétaires sur plusieurs milliards d'années. Systèmes planétaires autour d'étoiles semblables au soleil, qui produisent dans leurs régions intérieures des super-Terres à faible teneur en eau et en gaz, forment très souvent une planète comparable à notre Jupiter sur une orbite extérieure. De telles planètes aident à éloigner les objets potentiellement dangereux des régions intérieures.

Les scientifiques soupçonnent que la planète Jupiter a joué un rôle important dans le développement de la vie sur Terre, parce que sa gravité dévie souvent des astéroïdes et des comètes potentiellement dangereux sur leurs orbites dans la zone des planètes rocheuses d'une manière qui réduit le nombre de collisions catastrophiques. Cette circonstance soulève donc à plusieurs reprises la question de savoir si une telle combinaison de planètes est plutôt aléatoire, ou si c'est un résultat commun de la formation de systèmes planétaires.

Super-Terres sèches et Jupiters froids

Des scientifiques du Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) à Heidelberg, l'Université de Berne et l'Université de l'Arizona ont maintenant trouvé des preuves solides que des planètes rocheuses similaires à la Terre se produisent de manière évidente souvent avec une planète semblable à Jupiter qui est sur une orbite large.

"Nous appelons ces géantes gazeuses des Jupiters froids. Elles poussent à distance de l'étoile centrale, où l'eau existe sous forme de glace, " explique Martin Schlecker, doctorant au Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) à Heidelberg, qui a dirigé l'étude. Les planètes semblables à la Terre étudiées sont des super-Terres dites sèches, c'est à dire., planètes rocheuses plus grandes et plus massives que la Terre, qui n'ont qu'une atmosphère mince et presque pas d'eau ou de glace. Ils peuplent l'intérieur, c'est à dire., zone tempérée des systèmes planétaires et sont très similaires à la Terre à l'exception de leur taille. "Aussi, la Terre est, malgré les immenses océans et les régions polaires, avec une fraction volumique pour l'eau de seulement 0,12% au total une planète sèche, " fait remarquer Schlecker.

Trouver un Jupiter froid avec une super-Terre riche en glace dans la région intérieure est donc presque impossible. Par ailleurs, dense, les enveloppes de gaz étendues se trouvent principalement dans les super-Terres massives.

Les simulations fournissent des informations sur les processus difficiles à mesurer

Ces conclusions sont basées sur une évaluation statistique de nouvelles simulations de 1000 systèmes planétaires qui évoluent dans un disque protoplanétaire autour d'une étoile semblable au soleil. Ces simulations sont la dernière réalisation d'une collaboration de longue date entre l'Université de Berne et MPIA pour étudier les origines des planètes d'un point de vue théorique. En partant de conditions initiales aléatoires, par exemple., pour les masses de gaz et de matière solide, la taille du disque et les positions des cellules germes des nouvelles planètes, les scientifiques ont suivi le cycle de vie de ces systèmes sur plusieurs milliards d'années. « Pendant les simulations, les embryons planétaires ont collecté du matériel, sont devenus des planètes, changé leurs orbites, sont entrés en collision ou ont été éjectés du système, " Christoph Mordasini de l'Université de Berne et co-auteur du document de recherche décrit les processus simulés. Les systèmes planétaires simulés ont finalement eu des planètes de différentes tailles, masses et compositions sur différentes orbites autour de l'étoile centrale.

Hubert Klahr, responsable du groupe de travail sur la théorie de la formation des planètes au MPIA, explique :« De telles simulations soutiennent l'investigation des systèmes exoplanétaires, puisque les planètes comme les Jupiters froids ont besoin de beaucoup de temps pour orbiter leur étoile mère sur leurs orbites larges. la recherche d'exoplanètes ne reflète donc pas de manière réaliste la composition réelle des systèmes planétaires. Les astronomes sont plus susceptibles de trouver des planètes de masse élevée sur des orbites rapprochées autour d'étoiles de faible masse. "Simulation, d'autre part, sont en principe indépendantes de telles limitations, " ajoute Klahr.

Les observations et les simulations ne correspondent pas

"Nous avons voulu vérifier une découverte surprenante suite aux observations faites ces dernières années que les systèmes planétaires avec un Jupiter froid contiennent presque toujours une super-Terre, " dit Schlecker. A l'inverse, environ 30% de tous les systèmes planétaires dans lesquels les super-Terres sont formées semblent également avoir un Jupiter froid. Il serait plausible de s'attendre à ce que les planètes massives soient plus susceptibles de perturber les systèmes planétaires lors de leur formation de telle sorte que la formation d'autres planètes soit entravée. Cependant, ces Jupiters froids semblent suffisamment éloignés des intérieurs, de sorte que leur influence sur le développement semble plutôt faible.

Cependant, l'évaluation des systèmes planétaires simulés n'a pas pu confirmer cette tendance. Seul un tiers de tous les Jupiters froids était accompagné d'au moins une super-Terre. Par ailleurs, les astronomes ont trouvé un Jupiter froid dans seulement 10% de tous les systèmes planétaires synthétiques avec des super-Terres. Ainsi, les simulations montrent que les super-Terres et les Jupiters froids ne sont que légèrement plus susceptibles de se produire ensemble dans un système planétaire que s'ils apparaissaient seuls. Les scientifiques attribuent ce résultat à plusieurs raisons.

Une explication a à voir avec la vitesse à laquelle les planètes gazeuses migrent progressivement vers l'intérieur. La théorie de la formation des planètes semble prédire des taux plus élevés que ceux observés, conduisant à une accumulation accrue de géantes gazeuses sur des orbites de distance intermédiaire. Dans les simulations, ces "Jupiters chauds" interfèrent avec les orbites intérieures et provoquent l'éjection d'un plus grand nombre de super-Terres ou même leur collision lors de collisions gigantesques. Avec une tendance légèrement plus faible des planètes gazeuses simulées à migrer, il resterait plus de super-Terres, ce qui serait plus compatible avec les observations.

Les simulations prédisent les découvertes futures

Maintenant, les observations ne distinguent que grossièrement les différents types de super-Terres, car leur caractérisation exacte nécessiterait des mesures précises qui sont difficilement possibles avec les instruments d'aujourd'hui. Dans les simulations du groupe Bern-Heidelberg, cependant, ceci est réalisé en traçant le chemin d'une planète dans le disque protoplanétaire et ses rencontres avec d'autres planètes. "Nous avons trouvé un excès significatif de systèmes planétaires contenant à la fois un Jupiter froid et au moins une super-Terre sèche, c'est à dire., avec peu d'eau ou de glace, et une atmosphère ténue au maximum, " note Schlecker. Une comparaison avec des données d'observation est difficile, en raison des quelque 3200 systèmes planétaires connus à ce jour, seulement 24 se sont avérés être comparables à une telle constellation. Néanmoins, les résultats disponibles sont en bon accord. D'autre part, il n'y a pratiquement pas de systèmes planétaires dans lesquels coexisteraient des super-Terres avec une forte proportion de glace et un Jupiter froid.

Sur la base de ces constatations, les astronomes de cette étude ont développé un scénario qui pourrait expliquer la formation de ces types assez différents de systèmes planétaires. Comme le montrent les simulations, la constellation finale est principalement déterminée par la masse du disque protoplanétaire, c'est à dire., la quantité de matière disponible pour l'accrétion des planètes.

Dans les disques de masse moyenne, il n'y a pas assez de matière à l'intérieur, région chaude pour produire des super-Terres. À la fois, la quantité est également trop faible dans les parties extérieures au-delà de la limite des neiges, où l'eau est présente sous forme congelée et la proportion de morceaux de glace est assez importante, pour former des planètes massives comme Jupiter. Au lieu, le matériau s'y condense en super-Terres avec une forte proportion de glace avec une enveloppe gazeuse éventuellement étendue. Ces super-Terres migrent progressivement vers l'intérieur. En revanche, il y a suffisamment de matière dans les disques massifs pour former à la fois des planètes rocheuses semblables à la Terre à des distances modérées de l'étoile centrale et des planètes géantes froides au-delà de la limite des neiges. Ces planètes rocheuses sont pauvres en glace et en gaz. En dehors de l'orbite du froid Jupiter, des super-Terres riches en glace peuvent se former, mais leur migration dans la direction radiale est limitée par l'influence de la planète géante. Par conséquent, ils ne peuvent pas entrer à l'intérieur, zone chaude.

Vérifier la prédiction n'est possible que dans quelques années

Cependant, it will only be possible to verify this concept with powerful telescopes such as the Extremely Large Telescope (ELT) of the European Southern Observatory or the James Webb Space Telescope (JWST). Both are expected to be operational within this decade. "Theoretical predictions must be able to fail in the face of empirical experience, " Schlecker demands. "With the next-generation instruments that are about to be deployed, we will be able to test whether our model will hold up or whether we have to go back to the drawing boards."

En principe, this result could also apply to such dry rocky planets, which have roughly the size and the mass of the Earth. Donc, it might not be a coincidence that the solar system contains a planet like Jupiter as well as Earth. Cependant, the measuring devices available today are not sensitive enough to reliably detect such Earth twins in large numbers by means of observations. Pour cette raison, astronomers must currently still largely confine themselves to studying the Earth's massive counterparts. Only with the ELT and the JWST can we expect progress in this direction.