Un mystérieux écart dans la répartition de la taille des super-Terres expliqué

  • Des astronomes ont découvert un écart énigmatique dans la distribution de la taille des exoplanètes autour de deux rayons terrestres.
  • Les simulations informatiques suggèrent que la migration des glaces, appelées sous-Neptunes, vers les régions intérieures des systèmes planétaires expliquerait cet écart.
  • Les résultats confirment que l'évolution des sous-Neptunes contribue à cette observation et pourraient indiquer l'existence de mondes aquatiques.

Des astronomes allemands et suisses ont découvert des preuves de l’émergence d’un écart énigmatique dans la répartition de la taille des exoplanètes autour de deux rayons terrestres. Leurs simulations informatiques démontrent que la migration de glaces, appelées sous-Neptunes, vers les régions intérieures de leurs systèmes planétaires pourrait expliquer ce phénomène. À mesure qu’elles se rapprochent de l’étoile centrale, la glace d’eau qui s’évapore forme une atmosphère qui fait paraître les planètes furthermore grandes que dans leur état gelé. Simultanément, les planètes rocheuses additionally petites perdent progressivement une partie de leur enveloppe gazeuse d'origine, entraînant un rétrécissement de leur rayon mesuré au fil du temps.

Habituellement, les planètes des systèmes planétaires évolués, tels que le système solaire, suivent des orbites stables autour de leur étoile centrale. Cependant, de nombreuses indications suggèrent que certaines planètes pourraient quitter leur lieu de naissance au début de leur évolution en migrant vers l’intérieur ou vers l’extérieur. Cette migration planétaire pourrait également expliquer une observation qui laisse perplexe les chercheurs depuis plusieurs années : le nombre relativement faible d’exoplanètes d’une taille environ deux fois additionally grande que la Terre, connue sous le nom de vallée du rayon ou écart. À l’inverse, il existe de nombreuses exoplanètes plus petites et in addition grandes que cette taille.

“Il y a six ans, une nouvelle analyse des données du télescope spatial Kepler a révélé une pénurie d'exoplanètes d'une taille autour de deux rayons terrestres”, explique Remo Burn off, chercheur sur les exoplanètes à l'Institut Max Planck d'astronomie (MPIA) à Heidelberg. Il est l'auteur principal de l'post rapportant les résultats présentés dans cet posting, maintenant publié dans Character Astronomy.

D'où vient la vallée du rayon ?

“En fait, nous — comme d'autres groupes de recherche — avions prédit, sur la base de nos calculs, avant même cette observation, qu'un tel écart devait exister”, explique le co-auteur Christoph Mordasini, membre du Centre countrywide de compétence en recherche ( PRN) PlanetS. Il dirige la Division de recherche spatiale et de sciences planétaires de l'Université de Berne. Cette prédiction est née pendant son mandat de scientifique au MPIA, qui mène depuis de nombreuses années des recherches dans ce domaine en collaboration avec l'Université de Berne.

Le mécanisme le additionally souvent suggéré pour expliquer l’émergence d’une telle vallée de rayon est que les planètes pourraient perdre une partie de leur atmosphère d’origine en raison de l’irradiation de l’étoile centrale – en particulier des gaz volatils comme l’hydrogène et l’hélium. “Cependant, cette explication néglige l'impact de la migration planétaire”, précise Melt away. Il est établi depuis environ 40 ans que, dans certaines ailments, les planètes peuvent se déplacer vers l'intérieur et vers l'extérieur à travers les systèmes planétaires au fil du temps. L'efficacité de cette migration et la mesure dans laquelle elle affect le développement des systèmes planétaires ont un effects sur sa contribution à la formation de la vallée du rayon.

Sous-Neptunes énigmatiques

Deux varieties différents d’exoplanètes habitent la gamme de tailles entourant l’espace. D’une part, il y a les planètes rocheuses, qui peuvent être plus massives que la Terre et sont donc appelées super-Terres. D'autre portion, les astronomes découvrent de in addition en moreover de soi-disant sous-Neptunes (également mini-Neptunes) dans des systèmes planétaires lointains, qui sont en moyenne légèrement in addition grands que les tremendous-Terres.

“Cependant, nous n'avons pas cette classe d'exoplanètes dans le système solaire”, souligne Burn up. “C'est pourquoi, même aujourd'hui, nous ne sommes pas exactement sûrs de leur structure et de leur composition.”

Pourtant, les astronomes s’accordent largement sur le fait que ces planètes possèdent des atmosphères nettement furthermore étendues que les planètes rocheuses. Par conséquent, comprendre comment les caractéristiques de ces sous-Neptunes contribuent à l’écart de rayon est incertain. Cet écart pourrait-il même suggérer que ces deux forms de mondes se forment différemment ?

Planètes de glace errantes

“Sur la base des simulations que nous avons déjà publiées en 2020, les derniers résultats indiquent et confirment que l'évolution des sous-Neptunes après leur naissance contribue de manière significative à la vallée du rayon observée”, conclut Julia Venturini de l'Université de Genève. Elle est membre de la collaboration PlanetS mentionnée ci-dessus et a dirigé l’étude 2020.

Dans les régions glacées de leurs lieux de naissance, où les planètes reçoivent peu de rayonnement chauffant de l'étoile, les sous-Neptunes devraient en effet avoir des tailles manquantes dans la distribution observée. À mesure que ces planètes vraisemblablement glacées se rapprochent de l’étoile, la glace fond, formant finalement une épaisse atmosphère de vapeur d’eau.

Ce processus entraîne un déplacement des rayons des planètes vers des valeurs moreover grandes. Après tout, les observations utilisées pour mesurer les rayons planétaires ne peuvent pas différencier si la taille déterminée est thanks uniquement à la partie solide de la planète ou à une atmosphère dense supplémentaire.

Dans le même temps, comme déjà suggéré dans l'image précédente, les planètes rocheuses « rétrécissent » en perdant leur atmosphère. Dans l’ensemble, les deux mécanismes produisent un manque de planètes d’une taille autour de deux rayons terrestres.

Modèles informatiques physiques simulant des systèmes planétaires

“Les recherches théoriques du groupe Bern-Heidelberg ont déjà fait progresser considérablement notre compréhension de la development et de la composition des systèmes planétaires dans le passé”, explique Thomas Henning, directeur du MPIA. “L'étude actuelle est donc le résultat de nombreuses années de travail préparatoire commun et d'améliorations constantes des modèles physiques.”

Les derniers résultats proviennent de calculs de modèles physiques qui retracent la development des planètes et leur évolution ultérieure. Ils englobent les processus dans les disques de gaz et de poussière entourant les jeunes étoiles qui donnent naissance à de nouvelles planètes. Ces modèles incluent l'émergence d'atmosphères, le mélange de différents gaz et la migration radiale.

“Les propriétés de l'eau aux pressions et températures présentes à l'intérieur des planètes et de leur atmosphère étaient au cœur de cette étude”, explique Burn up. Comprendre le comportement de l’eau dans une large plage de pressions et de températures est critical pour les simulations. Ces connaissances n’ont été d’une qualité suffisante que ces dernières années. C'est cette composante qui permet de calculer de manière réaliste le comportement des sub-Neptunes, expliquant ainsi la manifestation d'atmosphères étendues dans les régions plus chaudes.

“Il est remarquable de voir à quel issue, comme dans ce cas, les propriétés physiques au niveau moléculaire influencent les processus astronomiques à grande échelle tels que la development des atmosphères planétaires”, ajoute Henning.

“Si nous devions étendre nos résultats à des régions moreover froides, où l'eau est liquide, cela pourrait suggérer l'existence de mondes aquatiques dotés d'océans profonds”, explique Mordasini. “De telles planètes pourraient potentiellement héberger la vie et constitueraient des cibles relativement simples pour la recherche de biomarqueurs grâce à leur taille.”

Travaux supplémentaires à venir

Cependant, les travaux en cours ne constituent qu’une étape importante. Bien que la distribution de taille simulée corresponde étroitement à celle observée et que l'écart de rayon soit au bon endroit, les détails présentent encore quelques incohérences. Par exemple, trop de planètes de glace se retrouvent trop près de l’étoile centrale dans les calculs. Néanmoins, les chercheurs ne perçoivent pas cette circonstance comme un inconvénient mais espèrent ainsi en apprendre davantage sur la migration planétaire.

Les observations avec des télescopes comme le télescope spatial James Webb (JWST) ou le télescope extrêmement grand (ELT) en building pourraient également être utiles. Ils seraient capables de déterminer la composition des planètes en fonction de leur taille, fournissant ainsi un test pour les simulations décrites ici.