Les astronomes perplexes face à une « planète qui ne devrait pas exister »

La recherche de planètes en dehors de notre système solaire – les exoplanètes – est l’un des domaines les plus dynamiques de l’astronomie. Au cours des dernières décennies, plus de 5 000 exoplanètes ont été détectées et les astronomes estiment désormais qu’il y a en moyenne au moins une planète par étoile dans notre galaxie.

De nombreux efforts de recherche actuels visent à détecter des planètes semblables à la Terre propices à la vie. Ces efforts se concentrent sur les étoiles dites de « séquence principale » comme notre Soleil – des étoiles qui sont alimentées par la fusion d’atomes d’hydrogène en hélium dans leur noyau et qui restent stables pendant des milliards d’années. Plus de 90% de toutes les exoplanètes connues à ce jour ont été détectées autour d’étoiles de la séquence principale.

Dans le cadre d’une équipe internationale d’astronomes, nous avons étudié une étoile qui ressemble beaucoup à notre Soleil dans des milliards d’années, et nous avons découvert qu’elle avait une planète qu’elle aurait dû dévorer. Dans recherche Publié dans Naturenous exposons le puzzle de l’existence de cette planète et proposons quelques solutions possibles.

Un aperçu de notre avenir : les étoiles géantes rouges

Tout comme les humains, les étoiles subissent des changements à mesure qu’elles vieillissent. Une fois qu’une étoile a épuisé tout son hydrogène dans le noyau, le noyau de l’étoile rétrécit et l’enveloppe externe se dilate à mesure que l’étoile se refroidit.

Dans cette phase d’évolution de « géante rouge », les étoiles peuvent atteindre plus de 100 fois leur taille d’origine. Lorsque cela arrivera à notre Soleil, dans environ 5 milliards d’années, nous nous attendons à ce qu’il devienne si gros qu’il engloutira Mercure, Vénus et peut-être la Terre.

Finalement, le noyau devient suffisamment chaud pour que l’étoile commence à fusionner de l’hélium. À ce stade, l’étoile rétrécit à environ 10 fois sa taille d’origine et continue de brûler de manière stable pendant des dizaines de millions d’années.

Nous connaissons des centaines de planètes en orbite autour d’étoiles géantes rouges. L’un d’eux s’appelle 8 Ursae Minoris bune planète avec autour de la masse de Jupiter sur une orbite qui la maintient à environ la moitié aussi loin de son étoile que la Terre l’est du Soleil.

La planète a été découverte en 2015 par une équipe d’astronomes coréens utilisant la technique « Doppler wobble », qui mesure l’attraction gravitationnelle de la planète sur l’étoile. En 2019, l’Union astronomique internationale doublé l’étoile Baekdu et la planète Halla, après les plus hautes montagnes de la péninsule coréenne.

Une planète qui ne devrait pas être là

Analyse de nouvelles données sur Baekdu recueillies par le satellite Transiting Exoplanet Survey de la NASA (TESS) télescope spatial a fait une découverte surprenante. Contrairement à d’autres géantes rouges que nous avons trouvées hébergeant des exoplanètes sur des orbites rapprochées, Baekdu a déjà commencé à fusionner de l’hélium dans son noyau.

Utilisant les techniques de l’astérosismologie, qui étudie les ondes à l’intérieur des étoiles, nous pouvons déterminer quel matériau une étoile brûle. Pour Baekdu, les fréquences des ondes ont montré sans ambiguïté qu’il a commencé à brûler de l’hélium dans son noyau.

La découverte était déroutante : si Baekdu brûle de l’hélium, il aurait dû être beaucoup plus gros dans le passé, si gros qu’il aurait dû engloutir la planète Halla. Comment est-il possible que Halla ait survécu ?

Comme c’est souvent le cas dans la recherche scientifique, la première ligne de conduite a été d’écarter l’explication la plus triviale : que Halla n’ait jamais vraiment existé.

En effet, certaines découvertes apparentes de planètes en orbite autour de géantes rouges utilisant la technique d’oscillation Doppler se sont révélées plus tard être des illusions créé par des variations à long terme du comportement de l’étoile elle-même.

Cependant, des observations de suivi ont exclu un tel scénario faussement positif pour Halla. Le signal Doppler de Baekdu est resté stable au cours des 13 dernières années, et une étude approfondie d’autres indicateurs n’a montré aucune autre explication possible pour le signal. Halla est réelle, ce qui nous ramène à la question de savoir comment elle a survécu à l’engloutissement.

Deux étoiles devenues une : un scénario de survie possible

Après avoir confirmé l’existence de la planète, nous sommes arrivés à deux scénarios qui pourraient expliquer la situation que nous voyons avec Baekdu et Halla.

Au moins la moitié de toutes les étoiles de notre galaxie ne se sont pas formées isolément comme notre Soleil, mais font partie de systèmes binaires. Si Baekdu était autrefois une étoile binaire, Halla n’a peut-être jamais été confronté au danger d’engloutissement.

Une fusion de ces deux étoiles peut avoir empêché l’expansion de l’une ou l’autre étoile à une taille suffisamment grande pour engloutir la planète Halla. Si une étoile devenait une géante rouge à elle seule, elle aurait englouti Halla – cependant, si elle fusionnait avec une étoile compagne, elle passerait directement à la phase de combustion de l’hélium sans devenir assez grosse pour atteindre la planète.

Alternativement, Halla peut être une planète relativement nouvelle. La violente collision entre les deux étoiles a peut-être produit un nuage de gaz et de poussière à partir duquel la planète aurait pu se former. En d’autres termes, la planète Halla pourrait être une planète de « deuxième génération » récemment née.

Quelle que soit l’explication correcte, la découverte d’une planète proche en orbite autour d’une étoile géante rouge brûlant de l’hélium démontre que la nature trouve des moyens pour que les exoplanètes apparaissent dans des endroits où on pourrait le moins s’y attendre.

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