Les orbites fragiles de sept exoplanètes ne pourraient survivre qu’à un bombardement précoce limité

“Après la formation des planètes rocheuses, les choses s’y écrasent”, a déclaré l’astrophysicien Sean Raymond de l’Université de Bordeaux en France. “C’est ce qu’on appelle le bombardement, ou l’accrétion tardive, et nous nous en soucions, en partie, parce que ces impacts peuvent être une source importante d’eau et d’éléments volatils qui favorisent la vie.”

Dans une étude disponible en ligne aujourd’hui dans Astronomie naturelle, Raymond et ses collègues du projet CLEVER Planets financé par la NASA de l’Université Rice et de sept autres institutions ont utilisé un modèle informatique de la phase de bombardement de la formation planétaire dans TRAPPIST-1 pour explorer les impacts que ses planètes auraient pu supporter sans être assommées.

Déchiffrer l’histoire de l’impact des planètes est difficile dans notre système solaire et peut sembler une tâche sans espoir dans des systèmes à des années-lumière, a déclaré Raymond.

“Sur Terre, nous pouvons mesurer certains types d’éléments et les comparer aux météorites”, a déclaré Raymond. “C’est ce que nous faisons pour essayer de comprendre combien de choses ont frappé la Terre après sa formation.”

Mais ces outils n’existent pas pour étudier le bombardement sur les exoplanètes.

“Nous n’obtiendrons jamais de pierres d’eux”, a-t-il déclaré. “Nous n’allons jamais voir de cratères dessus. Alors que pouvons-nous faire ? C’est là qu’intervient la configuration orbitale spéciale de TRAPPIST-1. C’est une sorte de levier sur lequel nous pouvons tirer pour mettre des limites à cela.”

TRAPPIST-1, à environ 40 années-lumière, est beaucoup plus petite et plus froide que notre soleil. Ses planètes sont nommées par ordre alphabétique de b à h en fonction de leur distance à l’étoile. Le temps nécessaire pour effectuer une orbite autour de l’étoile – équivalent à un an sur Terre – est de 1,5 jour sur la planète b et de 19 jours sur la planète h. Remarquablement, leurs périodes orbitales forment des rapports presque parfaits, un arrangement résonnant rappelant des notes de musique harmonieuses. Par exemple, tous les huit “ans” sur la planète b, cinq passent sur la planète c, trois sur la planète d, deux sur la planète e et ainsi de suite.

“Nous ne pouvons pas dire exactement combien de choses ont heurté l’une de ces planètes, mais grâce à cette configuration de résonance spéciale, nous pouvons lui imposer une limite supérieure”, a déclaré Raymond. “Nous pouvons dire:” Cela ne peut pas avoir été plus que cela. Et il s’avère que cette limite supérieure est en fait assez petite.

“Nous avons compris qu’après la formation de ces planètes, elles n’ont pas été bombardées par plus qu’une très petite quantité de choses”, a-t-il déclaré. “C’est plutôt cool. C’est une information intéressante quand on pense à d’autres aspects des planètes du système.”

Les planètes se développent dans des disques protoplanétaires de gaz et de poussière autour d’étoiles nouvellement formées. Ces disques ne durent que quelques millions d’années, et Raymond a déclaré que des recherches antérieures avaient montré que des chaînes résonnantes de planètes comme celle de TRAPPIST-1 se forment lorsque de jeunes planètes migrent plus près de leur étoile avant que le disque ne disparaisse. Des modèles informatiques ont montré que les disques peuvent faire entrer les planètes en résonance. Raymond a déclaré que l’on pense que les chaînes résonnantes comme celles de TRAPPIST-1 doivent être réglées avant que leurs disques ne disparaissent.

Le résultat est que les planètes de TRAPPIST-1 se sont formées rapidement, environ un dixième du temps qu’il a fallu à la Terre pour se former, a déclaré Andre Izidoro, co-auteur de l’étude Rice, astrophysicien et boursier postdoctoral CLEVER Planets.

CLEVER Planets, dirigé par le co-auteur de l’étude Rajdeep Dasgupta, professeur Maurice Ewing de science des systèmes terrestres à Rice, explore les façons dont les planètes pourraient acquérir les éléments nécessaires pour soutenir la vie. Dans des études précédentes, Dasgupta et ses collègues de CLEVER Planets ont montré qu’une partie importante des éléments volatils de la Terre provenait de l’impact qui a formé la lune.

“Si une planète se forme tôt et qu’elle est trop petite, comme la masse de la lune ou de Mars, elle ne peut pas accréter beaucoup de gaz du disque”, a déclaré Dasgupta. “Une telle planète a également beaucoup moins d’opportunités d’acquérir des éléments volatils essentiels à la vie grâce à des bombardements tardifs.”

Izidoro a déclaré que cela aurait été le cas pour la Terre, qui a gagné la majeure partie de sa masse relativement tard, y compris environ 1% des impacts après la collision avec la formation de la lune.

“Nous savons que la Terre a eu au moins un impact géant après la disparition du gaz (dans le disque protoplanétaire)”, a-t-il déclaré. “C’était l’événement de formation de la lune.

“Pour le système TRAPPIST-1, nous avons ces planètes de masse terrestre qui se sont formées tôt”, a-t-il déclaré. “Donc, une différence de potentiel, par rapport à la formation de la Terre, est qu’ils pourraient avoir, dès le début, une atmosphère d’hydrogène et n’avoir jamais subi d’impact géant tardif. Et cela pourrait changer beaucoup l’évolution en termes d’intérieur de la Terre. la planète, le dégazage, la perte volatile et d’autres choses qui ont des implications sur l’habitabilité.”

Raymond a déclaré que l’étude de cette semaine avait des implications non seulement pour l’étude d’autres systèmes planétaires résonnants, mais pour des systèmes d’exoplanètes beaucoup plus courants qui auraient commencé comme des systèmes résonnants.

“Les super-Terres et les sous-Neptunes sont très abondants autour d’autres étoiles, et l’idée prédominante est qu’elles ont migré vers l’intérieur pendant cette phase de disque de gaz et qu’elles ont ensuite peut-être eu une phase tardive de collisions”, a déclaré Raymond. “Mais au cours de cette première phase, où ils migraient vers l’intérieur, nous pensons qu’ils ont à peu près – universellement peut-être – eu une phase où ils étaient des structures de chaîne résonnantes comme TRAPPIST-1. Ils n’ont tout simplement pas survécu. Ils ont fini par aller instable plus tard.”

Izidoro a déclaré que l’une des principales contributions de l’étude pourrait venir dans des années, après que le télescope spatial James Webb de la NASA, le télescope extrêmement grand de l’Observatoire européen austral et d’autres instruments permettent aux astronomes d’observer directement les atmosphères des exoplanètes.

“Nous avons aujourd’hui certaines contraintes sur la composition de ces planètes, comme la quantité d’eau qu’elles peuvent contenir”, a déclaré Izidoro à propos des planètes qui se forment dans une phase de migration résonnante. “Mais nous avons de très grosses barres d’erreur.”

À l’avenir, les observations permettront de mieux contraindre la composition intérieure des exoplanètes, et connaître l’histoire des bombardements tardifs des planètes résonnantes pourrait être extrêmement utile.

“Par exemple, si l’une de ces planètes a beaucoup d’eau, disons une fraction massique de 20%, l’eau doit avoir été incorporée tôt dans les planètes, pendant la phase gazeuse”, a-t-il déclaré. “Vous devrez donc comprendre quel type de processus pourrait amener cette eau sur cette planète.”

Les autres co-auteurs de l’étude incluent Emeline Bolmont et Martin Turbet de l’Université de Genève, Caroline Dorn de l’Université de Zurich, Franck Selsis de l’Université de Bordeaux, Eric Agol de l’Université de Washington, Patrick Barth de l’Université de St. Andrews , Ludmila Carone de l’Institut Max Planck d’Astronomie à Heidelberg, Allemagne, Michael Gillon de l’Université de Liège et Simon Grimm de l’Université de Berne.

La recherche a été soutenue par la NASA (80NSSC18K0828), l’Agence fédérale brésilienne pour le soutien et l’évaluation de l’enseignement supérieur (88887.310463/2018-00), le Conseil national brésilien pour le développement scientifique et technologique (313998/2018-3), l’Université de St Andrews, la Fondation allemande pour la recherche (SP1833-1795/3), le programme Horizon 2020 de l’Union européenne (832738/ESCAPE), le Fonds national suisse de la recherche scientifique (PZ00P2 174028), le Programme national de planétologie du Centre national de la recherche scientifique français, le National Centre informatique pour l’enseignement supérieur (A0080110391) et la Fondation Gruber.