Une exoplanète géante gazeuse avec la densité d’une guimauve a été détectée en orbite autour d’une étoile naine rouge froide par une suite d’instruments, y compris l’instrument à vitesse radiale NEID sur le télescope WIYN de 3,5 mètres à l’observatoire national de Kitt Peak, un programme de NOIRLab de la NSF. La planète, nommée TOI-3757 b, est la planète géante gazeuse la plus pelucheuse jamais découverte autour de ce type d’étoile.
Les astronomes utilisant le télescope WIYN de 3,5 mètres à l’observatoire national de Kitt Peak en Arizona, un programme du NOIRLab de la NSF, ont observé une planète inhabituelle semblable à Jupiter en orbite autour d’une étoile naine rouge froide. Située à environ 580 années-lumière de la Terre dans la constellation d’Auriga l’aurige, cette planète, identifiée comme TOI-3757 b, est la planète de plus faible densité jamais détectée autour d’une étoile naine rouge et on estime qu’elle a une densité moyenne proche de celle d’une guimauve.
Les étoiles naines rouges sont les membres les plus petits et les plus sombres des étoiles dites de la séquence principale, des étoiles qui convertissent l’hydrogène en hélium dans leur noyau à un rythme constant. Bien que « cool » par rapport à des étoiles comme notre soleil, les étoiles naines rouges peuvent être extrêmement actives et éclater avec de puissantes éruptions capables de dépouiller une planète de son atmosphère, faisant de ce système stellaire un endroit apparemment inhospitalier pour former une planète aussi fine.
« Les planètes géantes autour d’étoiles naines rouges ont toujours été considérées comme difficiles à former », explique Shubham Kanodia, chercheur au Carnegie Institution for Science’s Earth and Planets Laboratory et premier auteur d’un article publié dans Le Journal Astrophysique. « Jusqu’à présent, cela n’a été examiné qu’avec de petits échantillons d’enquêtes Doppler, qui ont généralement trouvé des planètes géantes plus éloignées de ces étoiles naines rouges. Jusqu’à présent, nous n’avons pas eu un échantillon suffisamment important de planètes pour trouver des planètes gazeuses proches dans d’une manière robuste. »
Il existe encore des mystères inexpliqués autour de TOI-3757 b, le plus important étant de savoir comment une planète géante gazeuse peut se former autour d’une étoile naine rouge, et en particulier d’une planète à si faible densité. L’équipe de Kanodia, cependant, pense avoir une solution à ce mystère.
Ils proposent que la densité extra-faible de TOI-3757 b pourrait être le résultat de deux facteurs. Le premier concerne le noyau rocheux de la planète ; On pense que les géantes gazeuses commencent comme des noyaux rocheux massifs d’environ dix fois la masse de la Terre, à quel point elles attirent rapidement de grandes quantités de gaz voisins pour former les géantes gazeuses que nous voyons aujourd’hui. L’étoile de TOI-3757b a une plus faible abondance d’éléments lourds par rapport aux autres naines M avec des géantes gazeuses, et cela peut avoir entraîné une formation plus lente du noyau rocheux, retardant le début de l’accrétion de gaz et affectant ainsi la densité globale de la planète.
Le deuxième facteur peut être l’orbite de la planète, qui est provisoirement considérée comme légèrement elliptique. Il y a des moments où il se rapproche de son étoile plus qu’à d’autres moments, ce qui entraîne un excès de chaleur substantiel qui peut faire gonfler l’atmosphère de la planète.
La planète a été initialement repérée par le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA. L’équipe de Kanodia a ensuite effectué des observations de suivi à l’aide d’instruments au sol, notamment NEID et NESSI (NN-EXPLORE Exoplanet Stellar Speckle Imager), tous deux hébergés au télescope WIYN de 3,5 mètres ; le localisateur de planètes de la zone habitable (HPF) sur le télescope Hobby-Eberly ; et le Red Buttes Observatory (RBO) dans le Wyoming.
TESS a étudié le passage de cette planète TOI-3757 b devant son étoile, ce qui a permis aux astronomes de calculer que le diamètre de la planète était d’environ 150 000 kilomètres (100 000 miles) ou à peine plus grand que celui de Jupiter. La planète termine une orbite complète autour de son étoile hôte en seulement 3,5 jours, 25 fois moins que la planète la plus proche de notre système solaire – Mercure – qui prend environ 88 jours pour le faire.
Les astronomes ont ensuite utilisé NEID et HPF pour mesurer le mouvement apparent de l’étoile le long de la ligne de visée, également connu sous le nom de vitesse radiale. Ces mesures ont fourni la masse de la planète, qui a été calculée à environ un quart de celle de Jupiter, soit environ 85 fois la masse de la Terre. Connaître la taille et la masse a permis à l’équipe de Kanodia de calculer la densité moyenne de TOI-3757 b comme étant de 0,27 gramme par centimètre cube (environ 17 grammes par pied cube), ce qui en ferait moins de la moitié de la densité de Saturne (la planète de plus faible densité dans le système solaire), environ un quart de la densité de l’eau (ce qui signifie qu’elle flotterait si elle était placée dans une baignoire géante remplie d’eau), ou en fait, une densité similaire à celle d’une guimauve.
« Les futures observations potentielles de l’atmosphère de cette planète à l’aide du nouveau télescope spatial James Webb de la NASA pourraient aider à faire la lumière sur sa nature gonflée », déclare Jessica Libby-Roberts, chercheuse postdoctorale à la Pennsylvania State University et deuxième auteur de cet article.
« Trouver d’autres systèmes de ce type avec des planètes géantes – qui étaient autrefois considérées comme extrêmement rares autour des naines rouges – fait partie de notre objectif de comprendre comment les planètes se forment », explique Kanodia.
La découverte souligne l’importance de NEID dans sa capacité à confirmer certaines des exoplanètes candidates actuellement découvertes par la mission TESS de la NASA, fournissant des cibles importantes pour le nouveau télescope spatial James Webb (JWST) pour suivre et commencer à caractériser leurs atmosphères. Cela informera à son tour les astronomes de la composition des planètes et de la manière dont elles se sont formées et, pour les mondes rocheux potentiellement habitables, si elles pourraient être capables de supporter la vie.
Shubham Kanodia et al, TOI-3757 b: Une géante gazeuse à faible densité en orbite autour d’une naine M à métallicité solaire, Le Journal Astronomique (2022). DOI : 10.3847/1538-3881/ac7c20