Les astronomes rapportent aujourd’hui la découverte d’un système planétaire déréglé, où les orbites de deux planètes forment un angle important l’une par rapport à l’autre. Cette découverte surprenante aura un impact sur les théories de l’évolution des systèmes multiplanétaires et montre que certains événements violents peuvent perturber les orbites des planètes après la formation d’un système planétaire, expliquent les chercheurs.
« Ces résultats signifient que les études futures des systèmes exoplanétaires seront plus compliquées. Les astronomes ne peuvent plus supposer que toutes les planètes orbitent autour de leur étoile mère dans un seul plan « , déclare Barbara McArthur, de l’Observatoire McDonald de l’Université du Texas à Austin.
McArthur et son équipe ont utilisé les données du télescope spatial Hubble, du gigantesque télescope Hobby-Eberly et d’autres télescopes terrestres, combinées à une modélisation approfondie, pour déterrer un glissement de terrain d’informations sur le système planétaire entourant l’étoile voisine Upsilon Andromedae.Depuis un peu plus d’une décennie, les astronomes savent que trois planètes de type Jupiter orbitent autour de l’étoile jaune-blanc Upsilon Andromedae. Similaire à notreSoleil dans ses propriétés, Upsilon Andromedae se trouve à environ 44 années-lumière. Elle est un peu plus jeune, plus massive et plus brillante que le Soleil.
En combinant des types de données fondamentalement différents, mais complémentaires, provenant de télescopes Hubble et terrestres, l’équipe de McArthur a déterminé les masses exactes de deux des trois planètes connues, Upsilon Andromedae c etd. Mais ce qui est encore plus surprenant, c’est qu’ils ont découvert que toutes les planètes n’orbitent pas autour de cette étoile dans le même plan. Les orbites des planètes c et d sont inclinées de 30 degrés l’une par rapport à l’autre. Cette recherche marque la première fois que l' »inclinaison mutuelle » de deux planètes orbitant autour d’une autre étoile a été mesurée. Et l’équipe a découvert des indices qu’une quatrième planète, e, tourne autour de l’étoile beaucoup plus loin.
« Très probablement, Upsilon Andromedae a eu le même processus de formation que notre propre système solaire, bien qu’il ait pu y avoir des différences dans la formation tardive qui ont engendré cette évolution divergente », a déclaré McArthur. « Jusqu’à présent, l’hypothèse de l’évolution planétaire était que les systèmes planétaires se formaient dans le disque et restaient relativement coplanaires, comme notre propre système, mais nous avons maintenant mesuré un angle significatif entre ces planètes, ce qui indique que ce n’est pas toujours le cas.
Jusqu’à présent, la sagesse conventionnelle était qu’un grand nuage de gaz s’effondrait pour former une étoile, et que les planètes étaient un sous-produit naturel du matériau restant qui formait un disque. Dans notre système solaire, il y a des traces de cet événement de création car les huit planètes principales tournent presque dans le même plan. Les planètes naines les plus éloignées, comme Pluton, ont des orbites inclinées, mais elles ont été modifiées par la gravité de Neptune et ne sont pas enfouies profondément dans le champ gravitationnel du Soleil.
Plusieurs scénarios gravitationnels différents pourraient être responsables des orbites étonnamment inclinées d’Upsilon Andromedae. « Les possibilités incluent des interactions provenant de la migration vers l’intérieur des planètes, l’éjection d’autres planètes du système par la diffusion planète-planète, ou la perturbation de l’étoile binaire compagnon de l’étoile mère, Upsilon Andromedae B », a déclaré McArthur.
Barnes, un expert dans la dynamique des systèmes planétaires extrasolaires, a ajouté : « Notre analyse dynamique montre que les orbites inclinées résultent probablement de l’éjection d’un membre original du système planétaire. Cependant, nous ne savons pas si le compagnon stellaire distant a forcé cette éjection, ou si le système planétaire lui-même s’est formé de telle manière que certaines planètes originales ont été éjectées. De plus, nous constatons que la configuration révisée se trouve toujours au bord du précipice de l’instabilité : les planètes s’attirent si fortement qu’elles sont presque capables de se jeter hors du système. »
Les deux différents types de données combinées dans cette recherche étaient l’astrométrie du télescope spatial Hubble et la vitesse radiale des télescopes au sol.
L’astrométrie est la mesure des positions et des mouvements des corps célestes. Le groupe de McArthur a utilisé l’un des capteurs de guidage fin (FGS) du télescope Hubble pour cette tâche. Les FGS sont si précis qu’ils peuvent mesurer la largeur d’une pièce de 25 cents à Denver depuis le point d’observation de Miami. C’est cette précision qui a été utilisée pour retracer le mouvement de l’étoile sur le ciel causé par les planètes environnantes – et invisibles.
La vitesse radiale permet de mesurer le mouvement de l’étoile sur le ciel en direction et à l’opposé de la Terre. Ces mesures ont été effectuées sur une période de 14 ans à l’aide de télescopes terrestres, dont deux au McDonaldObservatory et d’autres aux observatoires de Lick, de Haute-Provence et de Whipple. La vitesse radiale fournit une longue ligne de base des observations de fondation, ce qui a permis aux observations Hubble, de plus courte durée, mais plus précises et complètes, de mieux définir les mouvements orbitaux.
Le fait que l’équipe ait déterminé les inclinaisons orbitales des planètes cand d leur a permis de calculer les masses exactes des deux planètes. Ces nouvelles informations nous ont appris que notre opinion sur la planète la plus lourde doit être modifiée. Les précédentes masses minimales des planètes données par les études de vitesse radiale situaient la masse minimale de la planète c à 2 Jupiters et celle de la planète d à 4 Jupiters. Les nouvelles masses exactes, trouvées par astrométrie, sont de 14 Jupiters pour la planète c et de 10 Jupiters pour la planète d.
« Les données de Hubble montrent que la vitesse radiale n’est pas toute l’histoire », a déclaré Benedict. « Les 14 années d’informations sur la vitesse radiale compilées par l’équipe ont permis de découvrir des indices qu’une quatrième planète de longue période pourrait orbiter au-delà des trois actuellement connues. Il n’y a que des indices sur cette planète car elle est si éloignée que le signal qu’elle crée ne révèle pas encore la courbure d’une orbite. Une autre pièce manquante du puzzle est l’inclinaison de la planète la plus intérieure, b, qui nécessiterait une astrométrie de précision 1000 fois supérieure à celle de Hubble, un objectif atteignable par une mission spatiale optimisée pour l’interférométrie.
Les données Hubble de l’équipe ont également confirmé le statut d’étoile abinaire d’Upsilon Andromedae. L’étoile compagnon est une naine rouge moins massive et beaucoup plus faible que le Soleil.
« Nous n’avons aucune idée de ce qu’est son orbite », a déclaré Benedict. « Elle pourrait être très excentrique. Peut-être qu’elle s’approche très près de temps en temps. Cela pourrait prendre 10 000 ans. » Un tel passage rapproché de l’étoile secondaire pourrait perturber gravitationnellement les orbites des planètes.