En cette ère de découverte d’exoplanètes, les astronomes ont trouvé plus de 5 000 exoplanètes confirmées, avec des milliers d’autres en attente de confirmation et plusieurs milliards d’autres en attente de découverte. Ces exoplanètes existent dans un spectre ahurissant de tailles, de compositions, de périodes orbitales et à peu près toutes les autres caractéristiques qui peuvent être mesurées.
Apprendre à les connaître a également permis de mieux comprendre notre système solaire. Nous avions l’habitude de le considérer comme un arrangement archétypal de planètes puisque c’est tout ce que nous avions pour continuer. Mais maintenant, nous savons que nous pourrions être la valeur aberrante parce que nous n’avons pas de super-Terre.
Les super-Terres sont une classe de planètes communes autour d’autres étoiles. Ils sont définis par la masse seule, entre deux et 10 masses terrestres. Même si les chasseurs de planètes en ont trouvé plus de 1500, notre système solaire n’en a pas. Étant donné que notre système solaire manque de l’un de ces types représentatifs, il est difficile pour les scientifiques planétaires de comprendre les super-Terres dans d’autres systèmes.
L’architecture de notre système solaire est également assez différente de ce que les astronomes voient autour d’autres étoiles. Des systèmes comme Kepler-11 ont plusieurs planètes dans des systèmes compacts sur des orbites stables à long terme beaucoup plus proches de l’étoile. Les interactions entre des planètes aussi serrées devraient contribuer à l’instabilité orbitale, mais les planètes de Kepler-11 ont le potentiel d’être stables pendant des milliards d’années. La plus petite planète du système, Kepler-11 f, est encore 2,5 fois plus massive que la Terre.
D’autres systèmes comme HD 20782 ont des planètes avec des excentricités orbitales extrêmes. HD 20782 b possède l’une des orbites les plus excentriques connues. Son excentricité est de 0,97, extrêmement élevée puisqu’une excentricité de 1,00 est une orbite d’échappement. (À titre de comparaison, l’excentricité de la Terre est de 0,016, où 0 est une orbite circulaire.) En conséquence, HD 20782 b subit des variations de température sauvages lorsqu’il se déplace du système solaire interne vers le système externe sur son orbite de 585 jours.
Un chercheur planétaire expérimenté voulait savoir ce qui se passerait si notre système solaire avait une super-Terre. Comment cela changerait-il notre système solaire ? Une super-Terre rapprocherait-elle notre système solaire de certains des autres systèmes que nous voyons dans la Voie lactée ? Notre système solaire serait-il même reconnaissable ?
Pour le savoir, il a créé une super-Terre simulée dans une simulation de notre système solaire.
Il s’appelle Stephen Kane et il est professeur d’astrophysique planétaire à l’Université de Californie. L’article s’intitule « Les conséquences dynamiques d’une super-Terre dans le système solaire », et Kane en est l’unique auteur. Le document n’a pas encore été évalué par des pairs.
Dans son article, Kane souligne l’écart taille/masse planétaire de notre système solaire et ce que cela signifie pour les chercheurs. Sans une super-Terre, qui se situe entre la masse de la Terre et celle de Neptune, il est difficile de replacer notre système dans son contexte. Il est difficile de modéliser comment ces planètes se forment et quelle pourrait être leur composition.
Il pourrait y avoir plusieurs raisons pour lesquelles notre système n’a pas de super-Terre. La migration précoce de Jupiter et de Saturne a peut-être joué un rôle en engloutissant une masse qui aurait pu s’accumuler sur la Terre ou sur Mars et en les transformant en super-Terres.
Sans notre propre super-Terre à étudier, les chercheurs se retrouvent avec beaucoup de questions. « Même ainsi », écrit Kane, « il est utile d’étudier les conséquences dynamiques de la masse planétaire supplémentaire dans le système solaire afin de contraindre les théories de formation actuelles et d’étudier les implications pour les architectures générales du système planétaire. »
Les modèles informatiques détaillés et les simulations sont une partie importante de l’astronomie, et ils deviennent de plus en plus détaillés et puissants au fil du temps. Les chercheurs varient les entrées pour voir comment des choses comme les systèmes solaires et les planètes se forment et se comportent dans différentes conditions. Dans ce travail, Kane a placé une super-Terre dans notre système solaire pour voir ce qui se passerait.
« Dans cet article, nous fournissons les résultats d’une étude dynamique qui place une planète terrestre supplémentaire dans la plage de masse de 1 à 10 masses terrestres et dans la plage de demi-grand axe 2 à 4 UA dans l’architecture actuelle du système solaire », écrit Kane.
Kane a ajouté des planètes avec des masses comprises entre 1 et 10 masses terrestres par pas de 1 masse terrestre. Il a placé la planète à différentes positions de départ sur des orbites circulaires. Les orbites étaient coplanaires avec celle de la Terre et le demi-grand axe variait de 2 à 4 unités astronomiques (UA) par pas de 0,01 UA.
« Cela a abouti à plusieurs milliers de simulations, où chaque simulation a été autorisée à s’exécuter pendant 107 ans, en commençant à l’époque actuelle et une sortie de configuration orbitale toutes les 100 années de simulation », explique Kane.
Les simulations ont montré que les planètes intérieures étaient plus sensibles à l’instabilité due à l’ajout d’une super-Terre que les planètes extérieures. « La vaste région de 2 à 4 UA contient de nombreux emplacements de MMR (résonance moyenne du mouvement) avec les planètes intérieures qui amplifient encore l’évolution chaotique du système solaire intérieur », indique le document.
« L’évolution chaotique » est un euphémisme. L’ajout d’une super-Terre modifie les relations entre les planètes et modifie toute l’architecture du système solaire interne. « Pour cet exemple, les orbites des quatre planètes intérieures deviennent suffisamment instables pour qu’elles soient retirées du système avant la fin de la simulation de 107 ans. »
La pauvre Mars n’a fait que la moitié de la simulation avant d’être éjectée. Mercure n’a parcouru qu’un tiers du chemin à travers la simulation avant les interactions avec Vénus et la Terre, et leur excentricité croissante, a conféré un moment cinétique à l’orbite de Mercure, l’éloignant.
Dans une autre exécution de la simulation, Kane a placé une super-Terre avec huit masses terrestres à une distance de 3,7 UA. Cela a conduit à de légères augmentations initiales des excentricités de la Terre et de Vénus qui, combinées à l’influence de Jupiter, ont alors tellement perturbé l’orbite de Mercure qu’elle a de nouveau été rapidement éjectée. L’élimination catastrophique de Mercure a ensuite changé la Terre et Vénus en injectant un moment cinétique dans leurs orbites. « Cela se traduit par une évolution périodique substantielle de leurs orbites, avec des variations à haute et basse fréquence de leurs excentricités », écrit Kane.
L’orbite de Mars n’est relativement pas affectée dans ce scénario, bien que son excentricité « subisse des oscillations à haute fréquence dues aux interactions avec les planètes extérieures ».
Le système solaire externe a également changé, mais pas aussi sévèrement. Lorsque la simulation a placé une planète avec sept masses terrestres à 3,79 UA, il ne s’est pas passé grand-chose au début. Mais finalement, il y a un changement radical. L’orbite de la super-Terre change et son demi-grand axe atteint jusqu’à 30 UA. Après environ 4 millions d’années, la super-Terre est éjectée du système. Son éjection transfère le moment cinétique, ce qui a « un effet substantiel sur les excentricités de Saturne, Uranus et Neptune », explique Kane.
Dans une autre simulation, la super-Terre injectée avait également sept masses terrestres, et l’UA n’a changé que légèrement, passant de 3,79 à 3,8. La super-Terre a de nouveau été éjectée, et Jupiter et Saturne ont connu une excentricité accrue. Le léger changement a également déclenché la perte d’Uranus.
Kane a effectué plusieurs milliers d’exécutions de la simulation et, en fonction des paramètres, certaines des planètes intérieures ont été éjectées, tout comme la super-Terre implantée. Dans d’autres architectures, les géants de glace ont également été éjectés. Mais l’éjection n’est qu’un des résultats, bien que le plus extrême.
Les simulations ont montré que la présence d’une super-Terre peut rendre les orbites des autres planètes plus excentriques. Cela peut faire des ravages sur le climat d’une planète, car la température oscille énormément selon l’endroit où la planète se trouve sur son orbite excentrique. « Ces interactions entraînent une oscillation de grande amplitude des excentricités orbitales de Vénus et de la Terre, créant des cycles de Milankovitch qui peuvent potentiellement influencer le climat à long terme de ces planètes », conclut Kane.
Il existe de nombreuses super-Terres, et la question de savoir dans quelle mesure leur présence influence l’habitabilité dans d’autres systèmes reste ouverte. Si cette étude est une indication, c’est une question qui doit être examinée. « La dépendance des climats planétaires aux interactions orbitales avec les super-Terres nécessitera des données et une modélisation atmosphériques supplémentaires pour déterminer si la présence de telles planètes (ou leur absence) peut conduire préférentiellement à des effets climatiques induits par l’excentricité », explique l’auteur.
Au cours des décennies précédentes, les astronomes ont utilisé l’architecture de notre système solaire pour développer des modèles de formation et d’architecture du système solaire. Mais maintenant, nous savons que notre système solaire n’est pas représentatif de ce qui existe, surtout en ce qui concerne les super-Terres. La différence pourrait provenir de la façon dont les planètes géantes ont migré. « En particulier, ces événements de migration de planètes géantes peuvent avoir influencé les processus de formation des planètes terrestres dans le système solaire interne et tronqué la formation du type de planète le plus courant découvert à ce jour : les super-Terres », indique le document.
L’hypothèse du grand tack montre comment Jupiter s’est formé à 3,5 UA, a migré vers l’intérieur à 1,5 UA, puis est revenu à 5,2 UA. Le Roi des Planètes se déplaçant ainsi dans le système solaire aurait affecté tout ce qui l’entoure. Cela aurait pu créer une cascade de collisions entre des objets du système solaire interne, entraînant dans le soleil des matériaux qui auraient pu former une super-Terre. Certains chercheurs pensent que notre système a eu une super-Terre dans un passé lointain qui a péri au soleil.
Kane qualifie notre absence de super-Terre d’épée à double tranchant. D’une part, nous n’avons pas la possibilité d’étudier une super-Terre d’aussi près que nous pouvons étudier des planètes telluriques, des géantes gazeuses ou des géantes de glace. Mais la présence d’une super-Terre aurait pu changer complètement le système solaire et aurait pu être potentiellement catastrophique pour la vie.
« Nos résultats révèlent la fragilité dynamique de notre configuration planétaire existante, permettant un examen plus détaillé de cette configuration dans le contexte plus large des architectures de systèmes planétaires », écrit Kane. L’objectif principal du travail est de permettre des comparaisons entre notre propre système « excentrique » et la pléthore de systèmes solaires contenant la super-Terre.
« L’étude des orbites avec ces systèmes, à la fois d’un point de vue individuel et statistique, démontrera les véritables conséquences du partage de l’espace dynamique avec une planète super-Terre », conclut-il.
L’étude est publiée sur le arXiv serveur de préimpression.
Plus d’information:
Stephen R. Kane, Les conséquences dynamiques d’une super-Terre dans le système solaire, arXiv (2023). DOI : 10.48550/arxiv.2302.06641