Crédit d'image: NWU
Les orbites particulières de trois planètes en boucle autour d'une étoile lointaine ne peuvent être expliquées que si une quatrième planète invisible a traversé et les a fait sortir de leurs orbites circulaires, selon une nouvelle étude réalisée par des chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley et Northwestern University.
La conclusion est basée sur des extrapolations informatiques de 13 ans d'observations des mouvements de la planète autour de l'étoile Upsilon Andromedae. Cela suggère que les orbites non circulaires et souvent très elliptiques de la plupart des planètes extrasolaires découvertes à ce jour peuvent être le résultat de la dispersion des planètes les unes des autres. Dans un tel scénario, la planète perturbatrice pourrait être projetée hors du système entièrement ou pourrait être projetée sur une orbite lointaine, laissant les planètes intérieures avec des orbites excentriques.
"C'est probablement l'un des deux ou trois systèmes extrasolaires qui ont les meilleures observations et les contraintes les plus strictes, et cela raconte une histoire unique", a déclaré Eric Ford, boursier postdoctoral Miller à UC Berkeley. "Notre explication est que l'orbite originale de la planète extérieure était circulaire, mais elle a eu ce coup de pied soudain qui a définitivement changé son orbite en étant très excentrique. Pour donner ce coup de pied, nous avons émis l'hypothèse qu'il y avait une planète supplémentaire que nous ne voyons pas maintenant. Nous pensons que nous comprenons maintenant comment ce système fonctionne. »
Si une telle planète avait traversé notre système solaire au début de son histoire, ont noté les chercheurs, les planètes intérieures pourraient ne pas avoir maintenant des orbites aussi joliment circulaires, et, sur la base des hypothèses actuelles sur les origines de la vie, le climat de la Terre aurait peut-être trop fluctué pour que la vie ait surgi.
"Alors que les planètes de notre système solaire restent stables pendant des milliards d'années, ce n'était pas le cas pour les planètes en orbite autour d'Upsilon Andromedae", a déclaré Ford. "Bien que ces planètes se soient formées de la même manière que Jupiter et Saturne, leurs orbites actuelles ont été sculptées par une phase tardive d'interactions chaotiques et violentes."
Selon le collègue de Ford, Frédéric A. Rasio, professeur agrégé de physique et d'astronomie à Northwestern, «Nos résultats montrent qu'un mécanisme simple, souvent appelé« diffusion planète-planète »- une sorte d'effet fronde dû à la soudaine attraction gravitationnelle entre deux les planètes, lorsqu'elles s'approchent très près les unes des autres, doivent être responsables des orbites très excentriques observées dans le système Upsilon Andromedae. Nous pensons que la diffusion planète-planète s'est produite fréquemment dans les systèmes planétaires extrasolaires, pas seulement celui-ci, résultant de fortes instabilités. Ainsi, alors que les systèmes planétaires autour d'autres étoiles peuvent être courants, les types de systèmes qui pourraient soutenir la vie, qui, comme notre système solaire, doivent probablement rester stables sur de très longues échelles de temps, ne sont peut-être pas si communs. »
Les simulations informatiques sont rapportées dans le numéro du 14 avril de la revue Nature par Ford, Rasio et Verene Lystad, une étudiante de premier cycle se spécialisant en physique au Northwestern. Ford était un étudiant de Rasio au Massachusetts Institute of Technology avant de poursuivre des études supérieures à l'Université de Princeton et d'arriver à UC Berkeley en 2004.
Le système planétaire autour d'Upsilon Andromedae est l'un des 160 systèmes les plus étudiés avec des planètes découvertes jusqu'à présent en dehors de notre propre système solaire. La planète intérieure, un "Jupiter chaud" si proche de l'étoile que son orbite n'est que de quelques jours, a été découverte en 1996 par Geoff Marcy de UC Berkeley et son équipe de chasseurs de planètes. Les deux planètes extérieures, avec des orbites allongées qui se perturbent fortement, ont été découvertes en 1999. Ces trois planètes énormes, semblables à Jupiter autour d'Upsilon Andromedae, constituaient le premier système extrasolaire à planètes multiples découvert par spectroscopie Doppler.
En raison de la nature inhabituelle des orbites planétaires autour d'Upsilon Andromedae, Marcy et son équipe l'ont étudié intensivement, faisant près de 500 observations - 10 fois plus que pour la plupart des autres planètes extrasolaires qui ont été trouvées. Ces observations, les oscillations dans le mouvement de l’étoile induites par les planètes en orbite, permettent une représentation très précise des mouvements des planètes autour de l’étoile.
"Les observations sont si précises que nous pouvons observer et prédire ce qui se passera pendant des dizaines de milliers d'années à l'avenir", a déclaré Ford.
Aujourd'hui, alors que la planète la plus intérieure se blottit près de l'étoile, les deux planètes extérieures orbitent sur des orbites en forme d'oeuf. Les simulations informatiques des changements orbitaux passés et futurs ont cependant montré que les planètes extérieures sont engagées dans une danse répétitive qui, une fois tous les 7 000 ans, amène l'orbite de la planète moyenne en cercle.
"Cette propriété de revenir sur une orbite très circulaire est tout à fait remarquable et ne se produit généralement pas", a déclaré Ford. «L'explication naturelle est qu'ils étaient autrefois tous les deux sur des orbites circulaires, et l'un d'eux a reçu un gros coup de pied qui l'a rendu excentrique. Ensuite, l'évolution qui a suivi a poussé l'autre planète à accroître son excentricité, mais en raison de la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement angulaire, elle revient périodiquement sur une orbite très presque circulaire. »
Auparavant, les astronomes avaient proposé deux scénarios possibles pour la formation du système planétaire d'Upsilon Andromedae, mais les données d'observation n'étaient pas encore suffisantes pour distinguer les deux modèles. Un autre astronome, Renu Malhotra de l'Université de l'Arizona, avait précédemment suggéré que la diffusion planète-planète aurait pu exciter les excentricités d'Upsilon Andromedae. Mais une explication alternative a affirmé que les interactions entre les planètes et un disque de gaz entourant l'étoile auraient également pu produire de telles orbites excentriques. En combinant des données d'observation supplémentaires avec de nouveaux modèles informatiques, Ford et ses collègues ont pu montrer que les interactions avec un disque de gaz n'auraient pas produit les orbites observées, mais que les interactions avec une autre planète les auraient naturellement produites.
"La principale caractéristique distinctive de ces théories était que les interactions avec un disque externe entraîneraient un changement très lent des orbites, et une forte interaction avec une planète passant entraînerait un changement très rapide des orbites par rapport à l'échelle de 7 000 ans pour orbites pour évoluer », a déclaré Ford. "Parce que les deux hypothèses font des prédictions différentes pour l'évolution du système, nous pouvons contraindre l'histoire du système en fonction des orbites planétaires actuelles."
Ford a déclaré que lorsque les planètes se sont formées à l'intérieur d'un disque de gaz et de poussière, la traînée sur les planètes aurait maintenu leur orbite circulaire. Cependant, une fois la poussière et le gaz dissipés, seule une interaction avec une planète qui passait aurait pu créer les orbites particulières des deux planètes extérieures observées aujourd'hui. Peut-être, a-t-il noté, que la planète perturbatrice a été projetée dans les planètes internes par des interactions avec d'autres planètes loin de l'étoile centrale.
Quelle que soit la façon dont elle a commencé, les interactions chaotiques qui en résultent auraient créé une orbite très excentrique pour la troisième planète, qui aurait ensuite progressivement perturbé l'orbite de la deuxième planète. Parce que la planète extérieure domine le système, au fil du temps, elle a suffisamment perturbé l'orbite de la planète moyenne pour la déformer lentement en orbite excentrique, ce qui est ce que l'on voit aujourd'hui, bien que tous les 7 000 ans environ, la planète moyenne revienne progressivement à une circulaire orbite.
"C'est ce qui rend le système si particulier", a déclaré Rasio. «D'ordinaire, le couplage gravitationnel entre deux orbites elliptiques ne ferait jamais revenir un cercle presque parfait. Un cercle est très spécial. "
«À l'origine, l'objectif principal de nos recherches était de simuler le système planétaire Upsilon Andromedae, essentiellement afin de déterminer si les deux planètes extérieures se trouvent dans le même plan que les planètes du système solaire», a déclaré Lystad, qui a commencé à travailler avec Rasio quand elle était une étudiante en deuxième année et a fait beaucoup d'intégrations informatiques dans le cadre de sa thèse senior. "Nous avons été surpris de constater que, pour bon nombre de nos simulations, il était difficile de dire si les planètes étaient dans le même plan en raison du fait que l'orbite de la planète moyenne devenait périodiquement si presque circulaire. Une fois que nous avons remarqué que ce comportement étrange était présent dans toutes nos simulations, nous l'avons reconnu comme la marque d'un système qui avait subi une diffusion planète-planète. Nous avons réalisé qu'il se passait quelque chose de beaucoup plus intéressant que quiconque n'en avait découvert auparavant. »
Comprendre ce qui s'est passé pendant la formation et l'évolution d'Upsilon Andromedae et d'autres systèmes planétaires extrasolaires a des implications majeures pour notre propre système solaire.
"Une fois que vous vous rendez compte que la plupart des planètes extrasolaires connues ont des orbites très excentriques (comme les planètes d'Upsilon Andromedae), vous commencez à vous demander s'il pourrait y avoir quelque chose de spécial au sujet de notre système solaire", a déclaré Ford. «La diffusion violente planète-planète pourrait-elle être si courante que peu de systèmes planétaires restent calmes et habitables? Heureusement, les astronomes - dirigés par Geoff Marcy, professeur d'astronomie à UC Berkeley - font avec diligence les observations qui finiront par répondre à cette question passionnante. »
La recherche a été financée par la National Science Foundation et le Miller Institute for Basic Research d'UC Berkeley.
Source d'origine: communiqué de presse de Berkeley
