Un chercheur a tenté de comprendre la population FFP et comment elle est née.

Les FFP sont également appelés objets de masse planétaire isolés (iPMO) dans la littérature scientifique, mais quel que soit le nom utilisé, il s'agit de la même chose. Ces planètes errent seules dans l'espace interstellaire, sans aucune relation avec les étoiles ou d'autres planètes.

Les FFP sont mystérieux car ils sont extrêmement difficiles à détecter. Mais les astronomes s’améliorent et disposent de meilleurs outils pour cette tâche. En 2021, les astronomes ont déployé des efforts déterminés pour les détecter dans le Haut Scorpius et Ophiuchus et en ont détecté 70, peut-être beaucoup plus.

En termes généraux, les FFP peuvent se former de deux manières. Ils peuvent se former comme la plupart des planètes, dans des disques protoplanétaires autour de jeunes étoiles. Ces planètes se forment par accrétion de poussière et de gaz. Ou bien, ils peuvent se former comme le font les étoiles en s'effondrant dans un nuage de gaz et de poussière sans rapport avec une étoile.

Pour les planètes qui se forment autour des étoiles et qui finissent par être expulsées, il existe différents mécanismes d'éjection. Ils peuvent être éjectés par interactions avec leurs étoiles dans un système stellaire binaire, ils peuvent être éjectés par un survol stellaire, ou ils peuvent être éjectés par diffusion planète-planète.

Dans le but de mieux comprendre la population FFP, un chercheur a examiné les FFP éjectés. Il a simulé des planètes voyous résultant d'interactions planète-planète et celles provenant de systèmes d'étoiles binaires, où les interactions avec leurs étoiles binaires les éjectent. Existe-t-il un moyen de les distinguer et de mieux comprendre comment ces objets sont nés ?

Un nouvel article intitulé « Sur les propriétés des planètes flottantes provenant de systèmes planétaires circumbinaires » aborde le problème. L'auteur est Gavin Coleman du Département de physique et d'astronomie de l'Université Queen Mary de Londres. L'article sera publié dans les Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. et est disponible sur arXiv serveur de préimpression.

Dans son article, Coleman souligne que les chercheurs ont exploré comment se forment les FFP, mais il reste encore beaucoup à faire. "De nombreux travaux ont exploré les mécanismes permettant de former de tels objets, mais n'ont pas encore fourni de prédictions sur leurs distributions qui pourraient différencier les mécanismes de formation", écrit-il.

Coleman se concentre sur les étoiles éjectées plutôt que sur les étoiles formées comme des voleurs. Il évite les planètes voyous qui résultent d’interactions avec d’autres planètes, car la diffusion planète-planète n’est pas aussi importante que les autres types d’éjections. "Il convient de noter que la diffusion planète-planète autour d'étoiles uniques ne peut pas expliquer le grand nombre de FFP observés dans les observations", explique Coleman.

Coleman distingue les systèmes stellaires binaires et leurs planètes circumbinaires dans son travail. Des recherches antérieures montrent que les planètes sont naturellement éjectées des systèmes circumbinaires. Dans ses recherches, Coleman a simulé des systèmes d’étoiles binaires et le comportement des planètes éjectées de ces systèmes. "Nous trouvons des différences significatives entre les planètes éjectées par les interactions planète-planète et celles éjectées par les étoiles binaires", écrit-il.

Coleman a basé ses simulations sur un système d'étoiles binaires nommé TOI 1338. TOI 1338 possède une planète circumbinaire connue appelée BEBOP-1. L’utilisation d’un système binaire connu avec une planète circumbinaire confirmée fournit une base solide pour ses simulations. Cela lui a également permis de comparer ses résultats avec d'autres simulations basées sur BEBOP-1.

La simulation faisait varier plusieurs paramètres :la masse initiale du disque, la séparation binaire, la force de l'environnement externe et le niveau de turbulence dans le disque. Ces paramètres régissent fortement les planètes qui se forment. D'autres paramètres n'utilisaient qu'une seule valeur :la masse stellaire combinée, le rapport de masse et l'excentricité binaire. La masse stellaire combinée de TOI 1338 est d'environ 1,3 masse solaire, ce qui est conforme à la moyenne des systèmes binaires d'environ 1,5 masse solaire.

Chaque simulation a duré 10 millions d'années, suffisamment longtemps pour que le système solaire prenne forme.

Coleman a découvert que les systèmes circumbinaires produisent efficacement des FFP. Dans les simulations, chaque système binaire éjecte en moyenne entre deux et sept planètes ayant une masse supérieure à 1 Terre. Pour les planètes géantes supérieures à 100 masses terrestres, le nombre de planètes éjectées tombe à 0,6 planètes éjectées par système.

Les simulations ont également montré que la plupart des planètes sont éjectées de leurs disques circumbinaires entre 0,4 et 4 millions d'années après le début de la simulation. À cet âge, le disque circumbinaire n'a pas été dissipé ni emporté par le vent.

Le résultat le plus important pourrait concerner les dispersions de vitesse des FFP. "Au fur et à mesure que les planètes sont éjectées des systèmes, elles conservent des vitesses excédentaires significatives, comprises entre 8 et 16 km/s. C'est beaucoup plus important que les dispersions de vitesse observées des étoiles dans les régions locales de formation d'étoiles", explique Coleman. Cela signifie donc que les dispersions de vitesse des FFP peuvent être utilisées pour distinguer ceux qui sont éjectés de ceux qui se sont formés comme solitaires.

Les dispersions de vitesse offrent une autre fenêtre sur la population FFP. Les simulations de Coleman montrent que la dispersion de vitesse des FFP éjectés lors des interactions avec des étoiles binaires est environ trois fois plus grande que la dispersion des planètes éjectées par la diffusion planète-planète.

Coleman a également découvert que le niveau de turbulence dans le disque affecte l'éjection des planètes. Plus les turbulences sont faibles, plus les planètes sont éjectées. La turbulence affecte également la masse des planètes éjectées :une turbulence plus faible éjecte des planètes moins massives, où environ 96 % des planètes éjectées ont moins de 100 masses terrestres.

Prises ensemble, les simulations permettent d’observer la population FFP et de déterminer ses origines. "Les différences dans la distribution des masses des FFP, leurs fréquences et leurs vitesses excessives peuvent toutes indiquer si des étoiles uniques ou des systèmes circumbinaires sont le lieu de naissance fondamental des FFP", écrit Coleman dans sa conclusion.

Mais l'auteur reconnaît également les inconvénients de ses simulations et clarifie ce que les simulations ne nous disent pas.

"Cependant, bien que ce travail contienne de nombreuses simulations et explore un large espace de paramètres, il ne constitue pas une population complète de systèmes circumbinaires en formation", écrit Coleman dans sa conclusion. Selon Coleman, il n'est pas possible, avec la technologie actuelle, de dériver une population complète de ces systèmes.

"Si une telle population était réalisée dans le cadre de travaux futurs, alors les comparaisons entre cette population et les populations observées donneraient un aperçu encore plus précieux de la formation de ces objets intrigants", explique-t-il.

Il y a encore beaucoup de choses que les astronomes ignorent sur les systèmes binaires et sur la façon dont ils forment et éjectent les planètes. D'une part, les modèles de formation des planètes sont constamment révisés et mis à jour avec de nouvelles informations.

Nous n’avons pas non plus une idée précise du nombre de FFP. Certains chercheurs pensent qu’il pourrait y en avoir des milliards. Le prochain télescope spatial romain Nancy Grace utilisera la lentille gravitationnelle pour effectuer un recensement des exoplanètes, y compris un échantillon de FFP dont la masse est aussi petite que celle de Mars.

Dans ses travaux futurs, Coleman a l'intention de déterminer s'il existe des différences de composition chimique entre les FFP. Cela limiterait les types d’étoiles autour desquelles elles se forment et l’endroit où elles se sont formées dans leurs disques protoplanétaires. Cela nécessiterait des études spectroscopiques des FFP.

Mais pour l’instant, au moins, Coleman a développé une manière progressivement meilleure de comprendre les FFP. Grâce à ces données, les astronomes peuvent commencer à discerner l'origine des FFP individuels et à mieux comprendre la population dans son ensemble.