La masse centrale de l'exoplanète géante WASP-107b est bien inférieure à ce qui était jugé nécessaire pour construire l'immense enveloppe de gaz entourant les planètes géantes comme Jupiter et Saturne, des astronomes de l'Université de Montréal ont découvert.

Cette découverte intrigante de Ph.D. L'étudiante Caroline Piaulet de l'Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx) de l'UdeM suggère que les planètes géantes gazeuses se forment beaucoup plus facilement qu'on ne le croyait auparavant.

Piaulet fait partie de l'équipe de recherche révolutionnaire du professeur d'astrophysique de l'UdeM Björn Benneke qui a annoncé en 2019 la première détection d'eau sur une exoplanète située dans la zone habitable de son étoile.

Publié aujourd'hui dans le Journal astronomique avec des collègues au Canada, les Etats Unis., l'Allemagne et le Japon, la nouvelle analyse de la structure interne de WASP-107b "a de grandes implications, " dit Benneke.

"Ce travail aborde les fondements mêmes de la formation et de la croissance des planètes géantes, ", a-t-il déclaré. "Cela fournit la preuve concrète que l'accrétion massive d'une enveloppe de gaz peut être déclenchée pour des noyaux beaucoup moins massifs qu'on ne le pensait auparavant."

Aussi gros que Jupiter mais 10 fois plus léger

WASP-107b a été détecté pour la première fois en 2017 autour de WASP-107, une étoile à environ 212 années-lumière de la Terre dans la constellation de la Vierge. La planète est très proche de son étoile, plus de 16 fois plus proche que la Terre ne l'est du Soleil. Aussi gros que Jupiter mais 10 fois plus léger, WASP-107b est l'une des exoplanètes les moins denses connues :un type que les astrophysiciens ont surnommé les planètes « super-bouffées » ou « barbe à papa ».

Piaulet et son équipe ont d'abord utilisé les observations de WASP-107b obtenues à l'observatoire Keck à Hawai'i pour évaluer sa masse avec plus de précision. Ils ont utilisé la méthode de la vitesse radiale, qui permet aux scientifiques de déterminer la masse d'une planète en observant le mouvement d'oscillation de son étoile hôte en raison de l'attraction gravitationnelle de la planète. Ils ont conclu que la masse de WASP-107b est d'environ un dixième de celle de Jupiter, soit environ 30 fois celui de la Terre.

L'équipe a ensuite effectué une analyse pour déterminer la structure interne la plus probable de la planète. Ils sont arrivés à une conclusion surprenante :avec une si faible densité, la planète doit avoir un noyau solide ne dépassant pas quatre fois la masse de la Terre. Cela signifie que plus de 85 % de sa masse est inclus dans l'épaisse couche de gaz qui entoure ce noyau. Par comparaison, Neptune, qui a une masse similaire à WASP-107b, n'a que 5 à 15 pour cent de sa masse totale dans sa couche de gaz.

"Nous avons eu beaucoup de questions sur WASP-107b, " dit Piaulet. " Comment une planète d'une si faible densité a-t-elle pu se former ? Et comment a-t-il empêché son énorme couche de gaz de s'échapper, surtout compte tenu de la proximité de la planète avec son étoile ?

"Cela nous a motivés à faire une analyse approfondie pour déterminer son histoire de formation."

Une géante gazeuse en devenir

Les planètes se forment dans le disque de poussière et de gaz qui entoure une jeune étoile appelée disque protoplanétaire. Les modèles classiques de formation des planètes géantes gazeuses sont basés sur Jupiter et Saturne. Dans ces, un noyau solide au moins 10 fois plus massif que la Terre est nécessaire pour accumuler une grande quantité de gaz avant que le disque ne se dissipe.

Sans noyau massif, On pensait que les planètes géantes gazeuses n'étaient pas capables de franchir le seuil critique nécessaire pour construire et conserver leurs grandes enveloppes de gaz.

Comment alors expliquer l'existence de WASP-107b, qui a un noyau beaucoup moins massif ? Eve Lee, professeure à l'Université McGill et membre iREx, un expert de renommée mondiale sur les planètes super-bouffantes comme WASP-107b, a plusieurs hypothèses.

"Pour WASP-107b, le scénario le plus plausible est que la planète s'est formée loin de l'étoile, où le gaz dans le disque est suffisamment froid pour que l'accrétion de gaz puisse se produire très rapidement, " dit-elle. " La planète a ensuite pu migrer vers sa position actuelle, soit par des interactions avec le disque ou avec d'autres planètes du système."

Découverte d'une seconde planète, GUÊPE-107c

Les observations de Keck du système WASP-107 couvrent une période de temps beaucoup plus longue que les études précédentes, permettant à l'équipe de recherche dirigée par l'UdeM de faire une découverte supplémentaire :l'existence d'une deuxième planète, WASP-107c, avec une masse d'environ un tiers de celle de Jupiter, considérablement plus que WASP-107b.

WASP-107c est également beaucoup plus éloigné de l'étoile centrale; il faut trois ans pour effectuer une orbite autour de lui, contre seulement 5,7 jours pour WASP-107b. Intéressant également :l'excentricité de cette deuxième planète est élevée, ce qui signifie que sa trajectoire autour de son étoile est plus ovale que circulaire.

"WASP-107c a à certains égards gardé la mémoire de ce qui s'est passé dans son système, " dit Piaulet. " Sa grande excentricité laisse présager un passé assez chaotique, avec des interactions entre les planètes qui auraient pu conduire à des déplacements importants, comme celui suspecté de WASP-107b."

Plusieurs autres questions

Au-delà de son histoire de formation, il y a encore beaucoup de mystères entourant WASP-107b. Studies of the planet's atmosphere with the Hubble Space Telescope published in 2018 revealed one surprise:it contains very little methane.

"That's strange, because for this type of planet, methane should be abundant, " said Piaulet. "We're now reanalysing Hubble's observations with the new mass of the planet to see how it will affect the results, and to examine what mechanisms might explain the destruction of methane."

The young researcher plans to continue studying WASP-107b, hopefully with the James Webb Space Telescope set to launch in 2021, which will provide a much more precise idea of the composition of the planet's atmosphere.

"Exoplanets like WASP-107b that have no analogue in our Solar System allow us to better understand the mechanisms of planet formation in general and the resulting variety of exoplanets, " she said. "It motivates us to study them in great detail."

"WASP-107b's density is even lower:a case study for the physics of gas envelope accretion and orbital migration, " by Caroline Piaulet et al., was posted today in the  Journal astronomique .