Transformations d’exoplanètes : les planètes gonflées deviennent des superpuissances

Les astronomes ont identifié deux instances différentes de la planète “mini-Neptune” qui perdent leur atmosphère aérée et sont susceptibles de devenir des superpuissances. Le rayonnement des étoiles des planètes les enlève de l’atmosphère, déchargeant des gaz chauds comme la vapeur d’une marmite d’eau bouillante.

Les résultats, publiés dans deux articles distincts dans The Astronomical Journal, aident à brosser un tableau de la façon dont ces mondes exotiques apparaissent et évoluent.

Les mini-Neptunes sont une classe d’exoplanètes qui sont des planètes en orbite autour d’étoiles en dehors de notre système solaire. Ces mondes, qui sont des versions plus petites et plus denses de la planète Neptune, sont constitués de gros noyaux rocheux entourés d’épaisses couvertures de gaz. Dans une nouvelle étude, une équipe d’astronomes dirigée par Caltech a utilisé l’observatoire WM Keck au sommet de Maunakea à Hawaï pour étudier l’une des deux planètes mini-Neptune dans un système stellaire appelé TOI 560, à 103 années-lumière. et ils ont utilisé le télescope spatial Hubble de la NASA pour voir deux mini-Neptunes en orbite autour du HD 63433, à 73 années-lumière.

Leurs résultats montrent que du gaz atmosphérique s’échappe du mini-Neptune interne du TOI 560, appelé TOI 560.01, et du mini-Neptune extrême du HD 63433, appelé HD 63433 c. Cela suggère qu’ils pourraient devenir des superpuissances.

“La plupart des astronomes soupçonnaient que les jeunes mini-Neptunes devaient avoir une atmosphère qui s’évaporait”, explique Michael Zhang, auteur principal des deux études et étudiant diplômé à Caltech. “Mais jusqu’à présent, personne ne l’a essayé.”

L’étude a également révélé de manière surprenante que le gaz autour de TOI 560.01 s’échappait principalement vers l’étoile.

“C’était inattendu, car la plupart des modèles prédisent que le gaz devrait s’éloigner de l’étoile”, a déclaré Heather Knutson, professeur de science planétaire qui a conseillé Zhang et co-auteur de l’étude. “Nous avons encore beaucoup à apprendre sur la façon dont ces sorties fonctionnent dans la pratique.”

La fracture planétaire expliquée

Depuis la découverte des premières exoplanètes tournant autour d’étoiles semblables au soleil au milieu des années 1990, des milliers d’autres ont été découvertes. Beaucoup d’entre eux orbitent près de leurs étoiles, et les plus petites roches se répartissent généralement en deux groupes : mini-Neptune et super-Terre. Ces types de planètes ne se trouvent pas dans notre système solaire. Les super-Terres sont 1,6 fois plus grandes que la Terre (et parfois 1,75 fois la Terre), tandis que les mini-Neptunes sont deux à quatre fois plus grandes que la Terre. Peu de planètes ont été identifiées qui se situent entre ces deux types de planètes.

Une explication possible de cet écart est que les mini-Neptunes deviennent des super-Terres. Théoriquement, on pense que les mini-Neptunes assemblent une atmosphère primordiale d’hydrogène et d’hélium. L’hydrogène et l’hélium sont les restes de la formation d’une étoile centrale née de nuages ​​de gaz. Les scientifiques disent que si mini-Neptune est suffisamment petite et suffisamment proche de son étoile, les rayons X stellaires et le rayonnement ultraviolet peuvent supprimer cette atmosphère primordiale sur des centaines de millions d’années. Cela laisserait derrière elle une super-Terre rocheuse avec un rayon beaucoup plus petit, qui pourrait théoriquement encore maintenir une atmosphère relativement mince similaire à celle de notre planète.

“Une planète dans l’abîme aurait suffisamment d’atmosphère pour gonfler son rayon, bloquant davantage le rayonnement des étoiles et permettant une perte de masse rapide”, a déclaré Zhang. “Mais l’atmosphère est suffisamment mince pour disparaître rapidement. C’est pourquoi la planète ne sera pas divisée longtemps.”

Selon les astronomes, d’autres scénarios pourraient expliquer cet écart. Par exemple, les petites planètes rocheuses peuvent ne jamais collecter d’enveloppes de gaz, et les mini-Neptunes peuvent être des mondes aquatiques, non entourés d’hydrogène gazeux. Cette dernière découverte de deux mini-Neptunes avec une atmosphère qui s’échappe est la première preuve directe à l’appui de la théorie selon laquelle les mini-Neptunes deviennent effectivement des superpuissances.

Signatures au soleil

Les astronomes ont pu détecter l’atmosphère qui s’échappe en observant l’intersection de mini-Neptune devant ou traversant leurs étoiles hôtes. Les planètes ne peuvent pas être vues directement, mais lorsqu’elles passent devant leurs étoiles depuis notre point de vue sur Terre, les télescopes peuvent rechercher l’absorption de la lumière stellaire par les atomes de l’atmosphère de la planète. Pour le Mini Neptune TOI 560.01, les chercheurs ont trouvé des signatures d’hélium. Pour le système stellaire HD 63433, l’équipe a trouvé des signes d’hydrogène sur la planète la plus externe HD 63433 c, mais pas sur la planète intérieure HD 63433 b.

“La planète intérieure a peut-être déjà perdu son atmosphère”, explique Zhang.

La vitesse des gaz indiquait que l’atmosphère fuyait. L’hélium observé TOI 560.01 parcourt jusqu’à 20 kilomètres par seconde, tandis que le HD 63433 c parcourt jusqu’à 50 kilomètres par seconde. La gravité de ces mini-Neptunes n’est pas assez forte pour maintenir le gaz en mouvement aussi rapidement. L’étendue de l’écoulement autour des planètes a également indiqué la fuite dans l’atmosphère : le cocon de gaz autour de TOI 560.01 est au moins 3,5 fois le rayon de la planète et du cocon qui l’entoure. HD 63433 c est au moins 12 fois le rayon de la planète.

Les observations ont en outre montré que le gaz perdu de TOI 560.01 s’écoulait vers l’étoile. Les futures observations d’autres mini-Neptunes devraient montrer si TOI 560.01 est une anomalie ou si une atmosphère intérieure est plus courante.

“En tant que scientifiques exoplanétaires, nous avons appris à attendre l’inattendu”, explique Knutson. “Ces mondes exotiques nous étonnent constamment avec une nouvelle physique qui va au-delà de ce que nous observons dans notre système solaire.”

La NASA a financé l’étude de l’Astronomical Journal “Helium Escape from TOI 560.01, Young Mini-Neptune”. Parmi les autres auteurs figurent Lile Wang du Flatiron Institute, Fei Dai de Caltech et Oscar Barragán de l’Université d’Oxford.

L’étude de l’Astronomical Journal, intitulée « Detecting Mass Loss in HD 63433c, with Young Mini-Neptune », a été financée par la NASA, le Conseil européen de la recherche, le Conseil pour la science et la technologie (Royaume-Uni), le National Space Research Center (National Space Agency ), la National Science Foundation et l’Université du Tennessee. Les autres auteurs de cet article sont Wang et Dai du premier article, Leonardo dos Santos du Space Telescope Research Institute et de l’Université de Genève; Luca Fossati de l’Académie autrichienne des sciences ; Gregory Henry de l’Université d’État du Tennessee ; David Ehrenreich de l’Université de Genève ; Yann Alibert de l’Université de Berne ; Sergio Hoyer de l’Université d’Aix-Marseille ; Thomas Wilson St. Université Andrews; et Andrea Bonfant de l’Institut de recherche spatiale et de l’Académie autrichienne des sciences.

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