Une planète massive trop grande pour son propre soleil pousse les astronomes à repenser la formation des exoplanètes

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LHS 3154b, une planète massive récemment découverte qui devrait être trop grande pour exister. L’Université d’État de Pennsylvanie

Imaginez que vous êtes un agriculteur à la recherche d’œufs dans le poulailler, mais qu’au lieu d’un œuf de poule, vous trouvez un œuf d’autruche, bien plus gros que tout ce qu’une poule pourrait pondre.

C’est un peu ce que notre équipe d’astronomes a ressenti quand nous avons découvert une planète massive, plus de 13 fois plus lourde que la Terre, autour d’une étoile rouge sombre et froide, neuf fois moins massive que le Soleil terrestre, plus tôt cette année.

L’étoile la plus petite, appelée étoile M, est non seulement plus petite que le Soleil dans le système solaire terrestre, mais elle est aussi 100 fois moins lumineuse. Une telle étoile ne devrait pas avoir la masse de matière nécessaire dans son disque formant planète pour donner naissance à une planète également massive.

Le scientifique de planètes de zones habitables

durant la dernière décennie, notre équipe a réalisé et construit à Penn State un nouvel instrument capable de détecter la lumière de ces étoiles sombres et froides à des longueurs d’onde dépassant la sensibilité de l’œil humain – dans le très près infrarouge – là où ces étoiles froides émettent la d’ampleur partie de la lumière. leur lumière.

Attaché au télescope Hobby-Eberly de 10 mètres dans l’ouest du Texas, notre instrument, surnommé Habitable Zone Planet Finder, peut mesurer le remplacement subtil de la vitesse d’une étoile lorsqu’une planète la tire gravitationnellement. Cette technique, appelée technique de vitesse radiale Doppler, est idéale pour détecter les exoplanètes.

« Exoplanète » est une combinaison des mots extrasolaire et planète, le terme s’applique donc à tout corps de la taille d’une planète en orbite autour d’une étoile qui n’est pas le Soleil de la Terre.

Il y a trente ans, les observations Doppler de la vitesse radiale ont permis la découverte de 51 Pegasi b, la première exoplanète connue en orbite autour d’une étoile semblable au Soleil. Au cours de nombreuses années qui ont suivi, des astronomes comme nous ont amélioré cette technique. Ces mesures de plus en plus précises ont un objectif important : permettre la découverte de planètes rocheuses dans des zones habitables, les régions autour des étoiles où l’eau liquide peut être maintenue à la surface de la planète.

La technique Doppler n’a pas encore la compétence de découvrir des planètes en zone habitable de la pléthore de la Terre autour d’étoiles de la taille du Soleil. Par contre les étoiles M froides et sombres présentent une touche moderne Doppler plus grande pour une planète de la même taille que la Terre. La masse plus faible de l’étoile fait qu’elle est encore plus tirée par la planète en orbite. Et la luminosité plus faible conduit à une zone habitable plus rapprochée et à une orbite plus courte, ce qui rend aussi la planète plus facile à détecter.

Les planètes autour de ces étoiles plus petites étaient les planètes que notre équipe a réalisé pour révéler le Habitable Zone Planet Finder. Notre nouvelle découverte, publiée dans la revue Science, d’une planète massive en orbite étroite autour de l’étoile M sombre et froide LHS 3154 – l’œuf d’autruche dans le poulailler – a été une véritable surprise.

LHS 3154b : La planète qui ne devrait pas exister

Les planètes se forment en disques composés de gaz et de poussière. Ces disques rassemblent des grains de poussière qui se modifient en cailloux et finissent par se combiner pour former un noyau planétaire solide. Une fois trouvé le noyau formé, la planète peut attirer gravitationnellement la poussière solide, de même que les gaz environnants tels que l’hydrogène et l’hélium. Mais il faut nombre immense de masse et de composants pour y parvenir. Cette façon de former des planètes est appelée accrétion de noyau.

Une étoile de masse également faible que LHS 3154, neuf fois moins massive que le Soleil, devrait avoir un disque formant planète de faible masse correspondante.

Rendu d’artiste de LHS 3154b. Crédit vidéo : Abby Minnich.

Un disque typique autour d’une étoile de masse également faible ne devrait tout simplement pas avoir suffisamment de composants solides ou de masse pour pouvoir fabriquer un noyau suffisamment lourd pour créer une telle planète. À partir des simulations informatiques réalisées par notre équipe, nous avons conclu qu’une telle planète a besoin d’un disque au moins 10 fois plus massif que ce que l’on suppose généralement à partir des observations directes des disques en formation de planètes.

Une théorie différente de la formation des planètes, l’instabilité gravitationnelle – à travers laquelle les gaz et les poussières du disque subissent un effondrement direct pour former une planète – peine aussi à expliquer la formation d’une telle planète sans disque très massif.

Planètes autour des étoiles les plus courantes

Les étoiles M froides et sombres sont les étoiles les plus courantes dans notre galaxie. Dans la tradition des bandes dessinées de DC, le monde natal de Superman, la planète Krypton, tournait autour d’une étoile naine M.

Les astronomes savent, grâce aux découvertes faites avec Habitable Zone Planet Finder et d’autres instruments, que les planètes géantes en orbite rapprochée autour des étoiles M les plus massives sont au moins 10 fois plus rares que celles autour des étoiles semblables au Soleil. Et nous ne connaissons aucune planète également massive en orbite rapprochée autour des étoiles M les moins massives – jusqu’à la découverte de LHS 3154b.

Comprendre comment les planètes se forment autour de nos voisines les plus cools nous aidera à comprendre à la fois comment les planètes se forment en général et comment les mondes rocheux autour des types d’étoiles les plus nombreux se forment et évoluent. Cette ligne de recherche pourrait aussi aider les astronomes à comprendre si les étoiles M sont en capacité de supporter la vie.

Suvrath Mahadevan reçoit un financement externe de la NSF, de la NASA et de la Fondation Heising-Simons, de même qu’un financement de recherche et un soutien de Penn State.

Guðmundur Kári Stefánsson reçoit un financement de la NSF, de la NASA et de la Fondation Heising-Simons.

Megan Delamer reçoit un financement de la NSF, de la NASA et de la Fondation Heising-Simons.

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