Une publication dans Planetary Science Journal

Les sept planètes rocheuses de TRAPPIST-1 semblent avoir des compositions très similaires


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Une nouvelle étude internationale menée par l’astrophysicien Eric Agol de l’Université de Washington et à laquelle ont participé de nombreux scientifiques de l’ULiège (ASTROBIOLOGY et STAR Institute) a mesuré les densités des sept planètes du système exoplanétaire TRAPPIST-1 avec une extrême précision, les valeurs obtenues indiquant des compositions très semblables pour toutes les planètes. Un fait qui rend le système encore plus remarquable et qui permet de mieux cerner la nature de ces mondes fascinants. Cette étude vient d’être publiée dans le Planetary Science Journal.

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e système TRAPPIST-1 abrite le plus grand nombre de planètes de taille similaire à notre Terre jamais découvert en dehors de notre système solaire. Découvert en 2016 grâce à la méthode des transits par une équipe de recherche menée par Michaël Gillon, astrophysicien et maître de recherches FNRS (ASTROBIOLOGY / Faculté des sciences) à l’ULiège, le système offre un aperçu de l'immense variété des systèmes planétaires qui peuplent probablement l'Univers. Depuis leur détection, les scientifiques ont étudié ces sept planètes à l'aide de multiples télescopes spatiaux (Kepler et Spitzer de la NASA) et terrestres (TRAPPIST et SPECULOOS notamment). A lui seul le télescope Spitzer, géré par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, a fourni plus de 1 000 heures d'observations ciblées du système avant d'être mis hors service en janvier 2020.

Des heures d’observations qui auront permis d’affiner les informations dont nous disposons sur le système exoplanétaire. « Puisque nous ne pouvons pas voir directement les planètes, nous analysons en détail la baise de brillance apparente de leur étoile lorsqu’elles ‘transitent’ celle-ci, c’est-à-dire lorsqu’elle passe devant», explique Michaël Gillon.» Des études précédentes avaient déjà permis aux astronomes de prendre des mesures précises des masses et des diamètres des planètes, ce qui avait permis de déterminer qu’elles avaient des tailles et des masses similaires à notre Terre et que leurs compositions devaient être essentiellement rocheuses.  « Notre nouvelle étude a fortement amélioré les précisions sur les densités des planètes, les mesures obtenues indiquant des compositions très similaires pour ces sept mondes », reprend Elsa Ducrot, doctorante au sein de l’équipe de Michaël Gillon. « Cela pourrait signifier qu’elles contiennent à peu près la même proportion de matériaux qui composent la plupart des planètes rocheuses, comme le fer, l’oxygène, le magnésium et le sillicium qui composent notre planète. » Après correction de leurs masses différentes, les chercheurs ont pu estimer qu’elles présentaient une densité moyenne inférieure d’environ 8% par rapport à la Terre, une donnée qui pourrait avoir une incidence sur leurs compositions.

Une recette différente

Les auteurs de l'étude ont émis trois hypothèses expliquant cette différence de densité. La première implique une composition similaire à celle de la Terre, mais avec un pourcentage de fer plus faible (environ 21% par rapport aux 32% de la Terre). L’essentiel du fer entrant dans la composition de la Terre se trouvant dans son noyau, cet appauvrissement en fer des planètes TRAPPIST-1 pourrait donc indiquer des noyaux de masses relatives moins importantes. La deuxième hypothèse implique des compositions enrichies en oxygène par rapport à celle de notre planète. En réagissant avec le fer, l’oxygène formerait de l’oxyde de fer, plus connu sous le nom de ‘rouille’.  La surface de Mars tire sa teinte rouge de l'oxyde de fer, mais comme ses trois sœurs terrestres (la Terre, Mercure, et Vénus), elle possède un noyau composé de fer non oxydé. En revanche, si la densité plus faible des planètes TRAPPIST-1 était entièrement due au fer oxydé, alors les planètes devraient être ‘rouillées jusqu’au cœur’ et pourraient ne pas avoir de réel noyau, au contraire de la Terre. Selon Eric Agol, astrophysicien à l'Université de Washington et auteur principal de la nouvelle étude, la réponse pourrait être une combinaison des deux scénarios - moins de fer en général et un peu de fer oxydé.

La troisième hypothèse émise par les chercheurs est celle d’un enrichissement des planètes en eau par rapport à la Terre. Cette hypothèse serait en accord avec des résultats théoriques indépendants indiquant une formation des  planètes TRAPPIST-1 plus loin de leur étoile, dans un environnement froid et riche en glaces d’eau, suivie d’une migration interne.  Si cette explication est la bonne, alors l'eau pourrait représenter environ 5 % de la masse totale des quatre planètes extérieures. En comparaison, l'eau représente moins d'un dixième de 1 % de la masse totale de la Terre. Les trois planètes intérieures de TRAPPIST-1, placées trop près de leur étoile pour que l'eau reste liquide dans la plupart des circonstances, auraient besoin d'atmosphères chaudes et denses comme sur Vénus, où l'eau pourrait rester liée à la planète sous forme de vapeur. Mais selon Eric Agol, cette explication semble moins probable car ce serait une coïncidence que les sept planètes aient juste assez d'eau présente pour avoir des densités aussi similaires.

"Le ciel nocturne est rempli de planètes, et ce n'est qu'au cours des 30 dernières années que nous avons pu commencer à percer leurs mystères", se réjouit Caroline Dorn, astrophysicienne à l'Université de Zurich et co-auteur de l'article. "Le système TRAPPIST-1 est fascinant car autour de cette étoile unique, nous pouvons apprendre la diversité des planètes rocheuses au sein d'un seul système. Et nous pouvons aussi en apprendre plus sur une planète en étudiant ses voisines, donc ce système est parfait pour cela".

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Les trois intérieurs possibles des exoplanètes TRAPPIST-1. Plus les scientifiques connaissent précisément la densité d'une planète, plus ils peuvent réduire la gamme des intérieurs possibles pour cette planète. Les sept planètes ont des densités très similaires, donc elles ont probablement des compositions similaires.Crédit : NASA/JPL-Caltech

Référence scientifique

AGOL E. & Al, Refining the transit timing and photometric analysis of TRAPPIST-1: Masses, radii, densities, dynamics, and ephemerides,  Planetary Science Journal, January 2021 - https://arxiv.org/abs/2010.01074 

Contacts

Elza DUCROT - Exoplanets in Transit: Identification and Characterization - ASTROBIOLOGY

Michaël GILLON - Exoplanets in Transit: Identification and Characterization  - ASTROBIOLOGY

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