Un monde extrasolaire recouvert d’eau ?

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par Charles Cadieux, Ph.D. étudiant à l’Université de Montréal et membre de l’Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx), a annoncé la découverte de TOI-1452 b, une exoplanète en orbite autour de l’une des deux petites étoiles d’un système binaire situé dans la constellation de Draco à environ 100 ans de la Terre.

L’exoplanète est légèrement plus grande en taille et en masse que la Terre et est située à une distance de son étoile où sa température ne serait ni trop chaude ni trop froide pour que de l’eau liquide existe à sa surface. Les astronomes pensent qu’il pourrait s’agir d’une « planète océanique », une planète entièrement recouverte d’une épaisse couche d’eau, semblable à certaines des lunes de Jupiter et de Saturne.

Dans un article publié aujourd’hui dans Le Journal AstronomiqueCadieux et son équipe décrivent les observations qui ont permis d’élucider la nature et les caractéristiques de cette exoplanète unique.

« Je suis extrêmement fier de cette découverte car elle démontre le haut calibre de nos chercheurs et de notre instrumentation », a déclaré René Doyon, professeur à l’Université de Montréal et directeur de l’iREx et de l’Observatoire du Mont-Mégantic (OMM). « C’est grâce à l’OMM, un instrument spécial conçu dans nos laboratoires appelé SPIRou, et une méthode analytique innovante développée par notre équipe de recherche que nous avons pu détecter cette exoplanète unique en son genre. »

C’est le télescope spatial TESS de la NASA, qui arpente tout le ciel à la recherche de systèmes planétaires proches du nôtre, qui a mis les chercheurs sur la piste de cette exoplanète. Sur la base du signal TESS, qui a montré une légère diminution de la luminosité tous les 11 jours, les astronomes ont prédit une planète environ 70 % plus grande que la Terre.

Charles Cadieux appartient à un groupe d’astronomes qui effectuent des observations de suivi au sol des candidats identifiés par TESS afin de confirmer leur type de planète et leurs caractéristiques. Il utilise PESTO, une caméra installée sur le télescope de l’OMM qui a été développée par le professeur David Lafrenière de l’Université de Montréal et son Ph.D. étudiant François-René Lachapelle.

« L’OMM a joué un rôle crucial dans la confirmation de la nature de ce signal et dans l’estimation du rayon de la planète », a expliqué Cadieux. « Ce n’était pas une vérification de routine. Nous devions nous assurer que le signal détecté par TESS était bien causé par une exoplanète encerclant TOI-1452, la plus grande des deux étoiles de ce système binaire. »

L’étoile hôte TOI-1452 est beaucoup plus petite que notre Soleil et est l’une des deux étoiles de taille similaire dans le système binaire. Les deux étoiles tournent l’une autour de l’autre et sont séparées par une si petite distance – 97 unités astronomiques, soit environ deux fois et demie la distance entre le Soleil et Pluton – que le télescope TESS les considère comme un seul point lumineux. Mais la résolution de PESTO est suffisamment élevée pour distinguer les deux objets, et les images ont montré que l’exoplanète orbite autour de TOI-1452, ce qui a été confirmé par des observations ultérieures d’une équipe japonaise.

L’ingéniosité au travail

Pour déterminer la masse de la planète, les chercheurs ont ensuite observé le système avec SPIRou, un instrument installé sur le télescope Canada-France-Hawaii à Hawaii. Conçu en grande partie au Canada, SPIRou est idéal pour étudier les étoiles de faible masse comme TOI-1452 car il opère dans le spectre infrarouge, là où ces étoiles sont les plus brillantes. Même alors, il a fallu plus de 50 heures d’observation pour estimer la masse de la planète, qui serait près de cinq fois celle de la Terre.

Les chercheurs Étienne Artigau et Neil Cook, également de l’iREx de l’Université de Montréal, ont joué un rôle clé dans l’analyse des données. Ils ont développé une puissante méthode d’analyse capable de détecter la planète dans les données collectées avec SPIRou. « La méthode LBL [for line-by-line] permet de nettoyer les données obtenues avec SPIRou de nombreux signaux parasites et de révéler la faible signature de planètes comme celle découverte par notre équipe », explique Artigau.

L’équipe comprend également les chercheurs québécois Farbod Jahandar et Thomas Vandal, deux Ph.D. étudiants de l’Université de Montréal. Jahandar a analysé la composition de l’étoile hôte, utile pour contraindre la structure interne de la planète, tandis que Vandal a participé à l’analyse des données recueillies avec SPIRou.

Un monde aquatique

L’exoplanète TOI-1452 b est probablement rocheuse comme la Terre, mais son rayon, sa masse et sa densité suggèrent un monde très différent du nôtre. La Terre est essentiellement une planète très sèche ; même si nous l’appelons parfois la planète bleue parce qu’environ 70 % de sa surface est couverte par l’océan, l’eau ne représente en fait qu’une fraction négligeable de sa masse, moins de 1 %.

L’eau peut être beaucoup plus abondante sur certaines exoplanètes. Ces dernières années, les astronomes ont identifié et déterminé le rayon et la masse de nombreuses exoplanètes d’une taille comprise entre celle de la Terre et de Neptune (environ 3,8 fois plus grande que la Terre). Certaines de ces planètes ont une densité qui ne peut s’expliquer que si une grande partie de leur masse est constituée de matériaux plus légers que ceux qui composent la structure interne de la Terre comme l’eau. Ces mondes hypothétiques ont été surnommés « planètes océaniques ».

« TOI-1452 b est l’un des meilleurs candidats pour une planète océanique que nous ayons trouvé à ce jour », a déclaré Cadieux. « Son rayon et sa masse suggèrent une densité bien inférieure à ce à quoi on pourrait s’attendre pour une planète composée essentiellement de métal et de roche, comme la Terre. »

Mykhaylo Plotnykov et Diana Valencia de l’Université de Toronto sont des spécialistes de la modélisation de l’intérieur des exoplanètes. Leur analyse de TOI-1452 b montre que l’eau peut représenter jusqu’à 30 % de sa masse, une proportion similaire à celle de certains satellites naturels de notre système solaire, comme les lunes de Jupiter Ganymède et Callisto, et les lunes de Saturne Titan et Encelade. .

À suivre…

Une exoplanète telle que TOI-1452 b est un candidat parfait pour une observation plus approfondie avec le télescope spatial James Webb, ou Webb en abrégé. C’est l’une des rares planètes tempérées connues qui présentent des caractéristiques compatibles avec une planète océanique. Elle est suffisamment proche de la Terre pour que les chercheurs puissent espérer étudier son atmosphère et tester cette hypothèse. Et, heureusement, il se situe dans une région du ciel que le télescope peut observer toute l’année.

« Nos observations avec le télescope Webb seront essentielles pour mieux comprendre TOI-1452 b », a déclaré Doyon, qui a passé en revue la conception du composant NIRISS de James Webb. « Dès que nous le pourrons, nous réserverons du temps sur Webb pour observer ce monde étrange et merveilleux. »

L’article « TOI-1452 b : SPIRou et TESS révèlent une super-Terre en orbite tempérée transitant par une naine M4 » a été publié le 12 août 2022 sur Le Journal Astronomique. Outre Charles Cadieux, René Doyon, Étienne Artigau, Neil Cook, Farbod Jahandar et Thomas Vandal de l’iREx de l’Université de Montréal, l’équipe de recherche comprend Nicolas B. Cowan (iREx, MSI, McGill, Canada); Björn Benneke, Stefan Pelletier et Antoine Darveau-Bernier (iREx, UdeM, Canada); Ryan Cloutier, ancien membre de l’iREx (Harvard, États-Unis); et des co-auteurs de l’Université de Toronto, de France, du Brésil, des États-Unis, du Japon, d’Espagne, de Suisse, du Portugal, de Hongrie, d’Allemagne et de Crimée.