Située à 163 années-lumière de la Terre, une exoplanète de la taille de Jupiter nommée WASP-69b offre aux astrophysiciens une fenêtre sur les processus dynamiques qui façonnent les planètes à travers la galaxie. L'étoile autour de laquelle elle orbite cuit et détruit l'atmosphère de la planète, et cette atmosphère échappée est sculptée par l'étoile en une vaste queue semblable à une comète d'au moins 350 000 milles de long.

Je suis astrophysicien. Mon équipe de recherche a publié un article dans l'Astrophysical Journal. décrivant comment et pourquoi la queue de WASP-69b s'est formée, et ce que sa formation peut éclairer sur les autres types de planètes que les astronomes ont tendance à détecter en dehors de notre système solaire.

Un univers rempli d'exoplanètes

Lorsque vous regardez le ciel nocturne, les étoiles que vous voyez sont des soleils, avec des mondes lointains, appelés exoplanètes, en orbite autour d’eux. Au cours des 30 dernières années, les astronomes ont détecté plus de 5 600 exoplanètes dans notre galaxie, la Voie lactée.

Il n’est pas facile de détecter une planète située à des années-lumière. Les planètes sont pâles en comparaison, tant en taille qu’en luminosité, que les étoiles sur lesquelles elles tournent. Mais malgré ces limites, les chercheurs sur les exoplanètes ont découvert une variété étonnante :depuis de petits mondes rocheux à peine plus grands que notre propre lune jusqu'à des géantes gazeuses si colossales qu'elles ont été surnommées "super-Jupiters".

Cependant, les exoplanètes les plus courantes détectées par les astronomes sont plus grandes que la Terre, plus petites que Neptune, et gravitent autour de leurs étoiles plus près que Mercure ne tourne autour de notre Soleil.

Ces planètes ultra-communes ont tendance à se répartir en deux groupes distincts :les super-Terres et les sous-Neptunes. Les super-Terres ont un rayon jusqu'à 50 % plus grand que le rayon de la Terre, tandis que les sous-Neptunes ont généralement un rayon deux à quatre fois plus grand que le rayon de la Terre.

Entre ces deux plages de rayon, il existe un espace, connu sous le nom de « Radius Gap », dans lequel les chercheurs trouvent rarement des planètes. Et les planètes de la taille de Neptune qui accomplissent leur orbite autour de leur étoile en moins de quatre jours sont extrêmement rares. Les chercheurs appellent cet espace le « Désert chaud de Neptune ».

Certains processus astrophysiques sous-jacents doivent empêcher ces planètes de se former ou de survivre.

Formation des planètes

Lorsqu’une étoile se forme, un grand disque de poussière et de gaz se forme autour d’elle. Dans ce disque, des planètes peuvent se former. À mesure que les jeunes planètes gagnent en masse, elles peuvent accumuler d’importantes atmosphères gazeuses. Mais à mesure que l’étoile mûrit, elle commence à émettre de grandes quantités d’énergie sous forme de rayonnement ultraviolet et de rayons X. Ce rayonnement stellaire peut détruire les atmosphères que les planètes ont accumulées dans un processus appelé photoévaporation.

Cependant, certaines planètes résistent à ce processus. Les planètes plus massives ont une gravité plus forte, ce qui les aide à conserver leur atmosphère d'origine. De plus, les planètes les plus éloignées de leur étoile ne sont pas frappées par autant de rayonnement, donc leur atmosphère s'érode moins.

Ainsi, peut-être qu'une partie importante des super-Terres sont en fait les noyaux rocheux de planètes dont l'atmosphère a été complètement dépouillé, tandis que les sous-Neptunes étaient suffisamment massives pour conserver leur atmosphère gonflée.

Quant au désert chaud de Neptune, la plupart des planètes de la taille de Neptune ne sont tout simplement pas assez massives pour résister complètement au pouvoir décapant de leur étoile si elle orbite trop près. En d’autres termes, un sous-Neptune en orbite autour de son étoile en quatre jours ou moins perdra rapidement toute son atmosphère. Lorsqu'on l'observe, l'atmosphère a déjà été perdue et ce qui reste est un noyau rocheux nu :une super-Terre.

Pour mettre cette théorie à l'épreuve, des équipes de recherche comme la mienne ont collecté des preuves d'observation.

WASP-69b :Un laboratoire unique

Entrez WASP-69b, un laboratoire unique pour étudier la photoévaporation. Le nom « WASP-69b » vient de la manière dont il a été découvert. C'était la 69ème étoile avec une planète, b, trouvée dans l'enquête Wide Angle Search for Planets.

Bien qu'il soit 10 % plus grand que Jupiter en rayon, WASP-69b est en réalité plus proche de la masse de Saturne, beaucoup plus légère :il n'est pas très dense et sa masse ne représente qu'environ 30 % de la masse de Jupiter. En fait, cette planète a à peu près la même densité qu'un morceau de liège.

Cette faible densité résulte de son orbite ultra-rapprochée de 3,8 jours autour de son étoile. Étant si proche, la planète reçoit une immense quantité d’énergie, ce qui la fait chauffer. Lorsque le gaz chauffe, il se dilate. Une fois que le gaz se dilate suffisamment, il commence à échapper définitivement à la gravité de la planète.

Lorsque nous avons observé cette planète, mes collègues et moi avons détecté de l'hélium gazeux s'échappant rapidement de WASP-69b, soit environ 200 000 tonnes par seconde. Cela se traduit par la masse de la Terre perdue tous les milliards d'années.

Au cours de la vie de l'étoile, cette planète finira par perdre une masse atmosphérique totale équivalente à près de 15 fois la masse de la Terre. Cela semble beaucoup, mais WASP-69b représente environ 90 fois la masse de la Terre, donc même à ce rythme extrême, il ne perdra qu'une petite fraction de la quantité totale de gaz qui le compose.

La queue comète de WASP-69b

Le plus frappant est peut-être la découverte de la queue d'hélium étendue de WASP-69b, que mon équipe a détectée derrière la planète sur au moins 350 000 milles (environ 563 000 kilomètres). De forts vents stellaires, qui sont un flux constant de particules chargées émises par les étoiles, sculptent des queues comme celle-ci. Ces vents de particules s'enfoncent dans l'atmosphère qui s'échappe et la façonnent en une queue semblable à une comète derrière la planète.

Notre étude est en fait la première à suggérer que la queue de WASP-69b était si étendue. Les observations passées de ce système suggéraient que la planète n'avait qu'une queue modeste, voire pas de queue du tout.

Cette différence tient probablement à deux facteurs principaux. D’une part, chaque groupe de recherche a utilisé différents instruments pour effectuer ses observations, ce qui pourrait entraîner des niveaux de détection variables. Ou bien, il pourrait y avoir une réelle variabilité dans le système.

Une étoile comme notre soleil a un cycle d’activité magnétique, appelé « cycle solaire ». Le soleil dure 11 ans. Pendant les années de pointe d'activité, le soleil présente davantage d'éruptions cutanées, de taches solaires et de changements dans le vent solaire.

Pour compliquer encore plus les choses, chaque cycle est unique :il n’y a pas deux cycles solaires identiques. Les scientifiques solaires tentent toujours de mieux comprendre et prédire l'activité de notre soleil. D'autres étoiles ont leurs propres cycles magnétiques, mais les scientifiques ne disposent tout simplement pas encore de suffisamment de données pour les comprendre.

Ainsi, la variabilité observée pour WASP-69b pourrait provenir du fait qu’à chaque fois qu’elle est observée, l’étoile hôte se comporte différemment. Les astronomes devront continuer à observer davantage cette planète à l'avenir pour avoir une meilleure idée de ce qui se passe exactement.

Notre regard direct sur la perte de masse de WASP-69b en dit plus sur le fonctionnement de l'évolution planétaire. Cela nous donne des preuves en temps réel de l'évasion atmosphérique et conforte la théorie selon laquelle les planètes chaudes Neptune et Radius Gap sont difficiles à trouver parce qu'elles ne sont tout simplement pas assez massives pour conserver leur atmosphère. Et une fois qu'ils les ont perdus, il ne reste plus qu'à observer un noyau rocheux de super-Terre.

L'étude WASP-69b met en évidence l'équilibre délicat entre la composition d'une planète et son environnement stellaire, façonnant le paysage planétaire diversifié que nous observons aujourd'hui. Alors que les astronomes continuent de sonder ces mondes lointains, chaque découverte nous rapproche de la compréhension de la tapisserie complexe de notre univers.