Découverte d’une exoplanète neptunienne aux origines mystérieuses

Une exoplanète aux caractéristiques extraordinaires a été découverte par une équipe internationale de scientifiques dirigée par l’Université de Rome Tor Vergata et par l’INAF, identifiée grâce au satellite TESS de la NASA et caractérisée avec le télescope national Galileo, dont les propriétés physiques remettent en question les théories conventionnelles de la formation planétaire et évolution. La recherche publiée a été publiée dans Nature. Elle s’appelle TOI-1853b et elle est extrêmement particulière : toutes les 30 heures elle effectue une révolution complète autour de son étoile (la Terre met un an pour accomplir une révolution complète autour du Soleil), elle a un rayon comparable à celui de Neptune (3,5 terrestre, d’où son nom) mais une masse environ quatre fois plus grande (73 masses terrestres). Cela lui confère la primauté de la densité la plus élevée parmi les exoplanètes neptuniennes connues à ce jour (environ 10 g/cm3, soit le double de la densité de la Terre). À 545 années-lumière de nous, TOI-1853b est situé dans la constellation du Bouvier et sa découverte, publiée aujourd’hui dans Nature, a été réalisée par une équipe internationale de chercheurs, dirigée par Luca Naponiello, 31 ans, doctorant en astrophysique à l’Université. de Rome Tor Vergata et premier auteur de l’ouvrage. Plusieurs chercheurs de l’Institut national d’astrophysique (INAF) ont apporté une contribution fondamentale à l’étude.

TOI-1853b est situé dans ce qu’on appelle le « Désert des Neptuniens », une région proche des étoiles dans laquelle on ne trouve pas de planètes de la taille de Neptune : recevant une forte irradiation de l’étoile, ces planètes ne peuvent pas retenir leur atmosphère gazeuse. qui s’évaporent, laissant ainsi exposé un noyau solide beaucoup plus petit que Neptune. “Sur la base des théories de la formation et de l’évolution des planètes, on ne s’attendait pas à ce qu’une telle planète puisse exister si près de son étoile”, commente Naponiello. “C’est une planète avec une densité trop élevée pour être une planète de type neptunien classique et, par conséquent, elle doit être extrêmement riche en éléments lourds.” Sa présence dans le « désert des Neptuniens » est donc un autre mystère à élucider.

Sa composition n’est pas connue avec précision. Naponiello ajoute : « Nous nous attendons à ce que TOI-1853b soit principalement rocheux et entouré d’une petite enveloppe gazeuse d’hydrogène et d’hélium qui représente au plus 1 % de la masse de la planète. Ou bien, une autre hypothèse très intrigante est qu’il pourrait être composé de moitié par roches et pour moitié par de la glace d’eau. Compte tenu de la température élevée de la planète (environ 1500 degrés Kelvin), dans ce deuxième cas, TOI-1853b pourrait avoir une atmosphère riche en vapeur d’eau”.

“Même son origine est un mystère puisqu’aucun des modèles théoriques de formation planétaire ne prédit qu’une planète présentant de telles caractéristiques pourrait exister”, explique Luigi Mancini, professeur au département de physique de l’Université de Rome Tor Vergata et deuxième auteur de l’ouvrage. “Cependant, les simulations numériques que nous avons menées dans des scénarios extrêmes suggèrent que son origine pourrait être due à des collisions entre protoplanètes massives dans le disque protostellaire d’origine.” “De tels affrontements”, poursuit Naponiello, “auraient pu faire disparaître la quasi-totalité de l’atmosphère de la planète, ce qui expliquerait sa petite taille et sa grande densité, comme s’il ne restait que le noyau nu de la planète”.

Comme alternative au scénario de collision planétaire, selon les chercheurs, la planète aurait pu être initialement une géante gazeuse comme Jupiter ou plus massive, et aurait pris une orbite hautement elliptique suite à des instabilités dynamiques dues aux interactions gravitationnelles avec d’autres planètes. Cela l’aurait amené à effectuer des passages très proches de son étoile, ce qui lui aurait fait perdre ses couches atmosphériques externes et aurait, par la même occasion, circularisé et stabilisé son orbite à la distance actuelle de son étoile. « Pour le moment, nous ne pouvons pas distinguer lequel des deux scénarios de formation est le plus plausible, mais nous continuerons à observer cette planète pour la comprendre. Nous ne pouvons pas non plus exclure que des études théoriques ultérieures, à partir de cette découverte exceptionnelle, puissent conduire à de nouveaux modèles de formation de planètes neptuniennes très massives », commente Aldo Bonomo, chercheur à l’INAF Turin et co-auteur de l’article.

TOI-1853b a été initialement identifié en 2020 comme candidat planétaire par le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) de la NASA en utilisant la méthode du transit, c’est-à-dire en observant les baisses périodiques de la lumière de son étoile produites par le passage de la planète devant elle. La confirmation du caractère planétaire de TOI-1853b et la mesure de sa masse et de sa densité ont été possibles grâce aux observations spectroscopiques de vitesse radiale obtenues par l’équipe avec le spectrographe HARPS-N (High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher for the Northern hemisphere) à le Télescope National Galileo (TNG), situé sur l’île de La Palma dans les îles Canaries. Ces observations ont permis de révéler et de caractériser avec une grande précision le signal gravitationnel de la planète sur le mouvement de son étoile.

“HARPS-N est désormais opérationnel au TNG depuis plus de 10 ans (il a obtenu sa première lumière en mars 2012). Il s’agit de l’un des rares instruments de pointe dont dispose la communauté astronomique pour mesurer les masses et les densités des planètes avec une précision extrasolaire. , dans certains cas même de la taille de la Terre”, conclut Alessandro Sozzetti, chercheur principal à l’INAF Turin et co-auteur de l’article. “Comme dans ce cas, les nouvelles découvertes et mesures apportent souvent plus de questions que de réponses.”