Il existe une catégorie rare de planètes, appelées "super-puff " ou "barbe à papa ", qui intriguent les astronomes : ce sont des mondes géants, mais très fins, avec des noyaux solides plus petits que ceux de Jupiter et de Saturne, recouverts d'une énorme enveloppe de gaz qui leur donne une taille incroyable. C'est le cas de l'exoplanète géante WASP-107b, découverte en 2017. Cependant, WASP-107b a une particularité qui la rend unique au sein de son type déjà étrange : sa masse est bien inférieure à ce qui était jugé nécessaire pour créer l'immense couche de gaz qui l'entoure.
Cette découverte intrigante de l'étudiante Carol
ine Piaulet de l'Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx) de l'Université de Montréal (UdeM) au Canada suggère que les planètes géantes gazeuses se forment beaucoup plus facilement qu'on ne le pensait auparavant comme indiqué dans l'étude qui vient d'être publiée dans "Astronomical Journal" avec des collègues des États-Unis, d'Allemagne et du Japon.
"Ce travail a de grandes implications ", explique Björn Benneke, professeur d'astrophysique à l'UdeM et chef de l'équipe de chercheurs qui a également réussi pour la première fois en 2019 à détecter de l'eau sur une exoplanète située dans la zone habitable de son étoile. "Ce travail aborde les fondements mêmes de la façon dont les planètes géantes peuvent se former et se développer et fournit des preuves concrètes qu'une énorme accumulation 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 du Soleil. Aussi grosse que Jupiter mais 10 fois plus légère, WASP-107b est l'une des exoplanètes les moins denses connues.
Piaulet et son équipe ont d'abord utilisé les observations de WASP-107b de l'observatoire de Keck à Hawaï pour évaluer sa masse avec une plus grande précision. Ils ont utilisé la méthode de la vitesse radiale, qui permet de déterminer la masse d'une planète en observant le mouvement oscillant de son étoile hôte grâce à l'attraction gravitationnelle de la planète. C'est ainsi qu'ils ont conclu que la densité de cette planète "barbe à papa " est environ un dixième de celle de Jupiter.
L'équipe a ensuite effectué une analyse pour déterminer sa structure interne la plus probable: ils sont arrivés à la conclusion surprenante que, avec une densité aussi faible, la planète doit posséder un noyau solide pas plus de quatre fois la masse de la Terre. Cela signifie que plus de 85% de sa masse provient de l'épaisse couche de gaz qui entoure le cœur. En comparaison, Neptune, dont la masse est similaire à WASP-107b, n'a que 5% à 15% de sa masse totale dans sa coque à gaz.
"Nous avons eu beaucoup de questions sur WASP-107b ", dit Piaulet, "comment une planète si basse densité pourrait-elle 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 incité à mener une analyse plus approfondie pour déterminer son historique de formation. "
Une géante gazière 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 de planètes géantes gazeuses sont basés sur ce que nous savons de Jupiter et de Saturne. Ces théories affirment que c'est un noyau solide au moins 10 fois plus massif que la Terre pour accumuler une grande quantité de gaz avant que le disque ne se dissipe.
Sans noyau massif, les planètes géantes gazeuses n'étaient pas censées être capables de franchir le seuil critique nécessaire pour accumuler et conserver leurs grandes enveloppes gazeuses. Alors, comment expliquez-vous l'existence de WASP-107b ? La professeure de l'Université McGill, Eve Lee, experte de renommée mondiale sur les planètes comme WASP-107b, émet une hypothèse : "Pour WASP-107b, le scénario le plus plausible est que la planète s'est formée loin de l'étoile, où le gaz le disque est suffisamment froid pour qu'une accumulation de gaz puisse se produire très rapidement ", dit-il. Plus tard, la planète a pu migrer vers sa position actuelle, soit par des interactions avec le disque, soit avec d'autres planètes du système.
Une deuxième planète : WASP-107c
Les observations de cette recherche ont également conduit à une découverte supplémentaire qui serait la clé de la théorie de Lee : l'existence d'une deuxième planète, WASP-107c, avec une masse d'environ un tiers de celle de Jupiter, considérablement plus grande que celle de WASP-107b.
Cette nouvelle planète est beaucoup plus éloignée de l'étoile centrale : il faut trois ans pour terminer une orbite autour d'elle, tandis que WASP-107b prend 5,7 jours. De plus, les astronomes ont découvert qu'elle avait une orbite très excentrique, ce qui signifie que sa trajectoire autour de son étoile est plus ovale que circulaire. "WASP-107c a conservé à certains égards la mémoire de ce qui s'est passé dans son système ", dit Piaulet. "Sa grande excentricité pointe vers un passé plutôt chaotique, avec des interactions entre les planètes qui auraient pu conduire à des déplacements majeurs, comme celui suspecté pour WASP-107b. "
Encore plus d'inconnues
Au-delà de l'histoire de sa formation, il existe encore de nombreux mystères autour de WASP-107b. Les études de l'atmosphère de la planète avec le télescope spatial Hubble publiées en 2018 ont révélé une surprise : il contient très peu de méthane. "C'est étrange, car pour ce type de planète, le méthane devrait être abondant ", dit Piaulet. "Nous ré-analysons maintenant les observations de Hubble avec la nouvelle masse de la planète pour voir comment ces nouveaux résultats les affectent et pour examiner quels mécanismes pourraient expliquer la destruction du méthane."
En outre, on sait également que, du fait de sa densité si faible, il ne parvient pas à retenir son atmosphère, qui lui est lentement mais inexorablement "arrachée" par les émissions de l'étoile elle-même. Les scientifiques ont calculé que WASP-107b perd 0,1-0,4% de sa masse tous les 1 milliard d'années, et que la majeure partie de cette masse perdue est projetée sur son côté nuit, formant une énorme queue qui elle est trois à cinq fois plus grande que la planète elle-même, ce qui lui a valu son surnom de "super comète ".
"Les exoplanètes comme WASP-107b qui n'ont pas d'analogues dans notre système solaire nous permettent de mieux comprendre les mécanismes de formation des planètes en général et la variété d'exoplanètes qui en résulte ", poursuit le chercheur, qui prédit que le prochain télescope spatial James Webb pourra aider pour résoudre les énigmes qui contiennent encore ces planètes "barbe à papa ".