Pourquoi les exoplanètes gonflées dansent-elles en harmonie ?

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L'illustration montre une planète sous-Neptune en orbite autour d'une étoile jaune. La forme gonflante de cette planète dépend de sa résonance. Crédits : NASA, ESA, CSA et D. Player (STScI)

Largement absentes du Système solaire, mais omniprésentes dans notre galaxie, les exoplanètes sous-Neptune continuent de fasciner les planétologues. Une étude récente menée par des chercheurs de l’Université de Genève (UNIGE) et de l’Université de Berne (UNIBE) révèle aujourd’hui que ces planètes plus petites que Neptune, mais plus grandes que la Terre peuvent être divisées en deux catégories distinctes : les sous-Neptunes « gonflées » et « non gonflées ». Cette découverte éclaire les mystères de leur densité et de leur formation, particulièrement en lien avec leur résonance orbitale au sein de leurs systèmes planétaires.

Les systèmes résonants

Un système planétaire résonant est un système dans lequel les planètes ont des périodes orbitales qui sont en rapport simple les unes avec les autres. Autrement dit, les orbites des planètes sont synchronisées de telle manière que les positions relatives des planètes se répètent régulièrement. Cette synchronisation est connue sous le nom de résonance orbitale.

Un système récemment découvert à 100 années-lumière de la Terre autour de l’étoile HD 110067 illustre parfaitement ce phénomène. Ce dernier comprend six sous-Neptunes qui suivent une résonance harmonique fascinante. Par exemple, la planète la plus intérieure complète une orbite en 9,1 jours terrestres, tandis que la planète la plus extérieure en accomplit une en 54,7 jours. Les rapports de résonance entre ces planètes sont tels que pour chaque orbite de la planète extérieure, la planète intérieure en réalise six. Ces résonances précises existent depuis environ quatre milliards d’années, une durée comparable à l’âge de notre propre Système solaire.

Des chercheurs ont récemment observé que ces sous-Neptunes résonantes sont généralement moins denses que celles qui ne suivent pas de résonance orbitale. Cette différence de densité pose des questions intrigantes sur leur formation et leur évolution.

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Les six planètes gravitent autour de leur étoile centrale HD 110067 selon un rythme harmonique, les planètes s’alignant toutes les quelques orbites. Crédits : Thibaut Roger, NCCR Planètes

Les gonflées et non gonflées

Les planétologues ont utilisé deux méthodes principales pour mesurer la densité des sous-Neptunes : la variation temporelle du transit (TTV) et la vitesse radiale. La méthode TTV mesure les variations de temps de transit causées par les interactions gravitationnelles entre planètes, tandis que la méthode de la vitesse radiale évalue les variations de vitesse d’une étoile induites par la gravité d’une planète orbitante.

Les résultats ont montré que la méthode TTV tend à détecter des sous-Neptunes moins denses, tandis que la méthode de la vitesse radiale est biaisée en faveur de planètes de densité plus élevée. En analysant ces données, les chercheurs ont alors confirmé l’existence de deux familles distinctes de sous-Neptunes. Les sous-Neptunes « gonflées » sont souvent en résonance avec d’autres planètes de leur système, tandis que les « non gonflées » ne le sont pas. Cette résonance semble jouer un rôle crucial dans leur densité et leur évolution.

L’équipe de recherche propose que tous les systèmes planétaires commencent leur existence en convergeant vers une chaîne résonante. Cependant, seulement environ 5 % de ces systèmes parviennent à maintenir cette résonance au fil du temps. Lorsque la chaîne résonante se rompt, elle peut provoquer des collisions et des fusions de planètes, créant ainsi des mondes plus denses. Les systèmes résonants conservent en revanche leurs sous-Neptunes gonflées, car ils échappent à ces événements catastrophiques.

Cette découverte jette une lumière nouvelle sur la formation et l’évolution des exoplanètes sous-Neptunes et aide à expliquer pourquoi notre propre Système solaire ne contient pas de telles planètes. Le lien entre résonance orbitale et densité des sous-Neptunes ouvre ainsi des perspectives passionnantes pour l’étude des exoplanètes et de la dynamique des systèmes planétaires.

Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Astronomy & Astrophysics.