Grâce à la mission Kepler et à d'autres efforts pour trouver des exoplanètes, nous avons beaucoup appris sur la population d'exoplanètes. Nous savons que nous trouverons probablement des super-Terres et des exoplanètes de masse Neptune en orbite autour d'étoiles de faible masse, tandis que de plus grandes planètes se trouvent autour d'étoiles plus massives. Cela correspond bien à la théorie de l'accrétion de base de la formation planétaire.
Mais toutes nos observations ne sont pas conformes à cette théorie. La découverte d'une planète semblable à Jupiter en orbite autour d'une petite naine rouge signifie que notre compréhension de la formation planétaire pourrait ne pas être aussi claire que nous le pensions. Une deuxième théorie de la formation planétaire, appelée théorie de l'instabilité du disque, pourrait expliquer cette découverte surprenante.
L'étoile naine rouge s'appelle GJ 3512 et elle se trouve à environ 31 années-lumière de nous à Ursa Major. GJ 3512 est 0,12 fois la masse de notre Soleil, et la planète, GJ 3512b, est 0,46 fois la masse de Jupiter, au minimum. Cela signifie que l'étoile n'est que 250 fois plus massive que la planète. Non seulement cela, mais c'est seulement à environ 0,3 UA de l'étoile.
Comparez cela à notre système solaire, où le Soleil est plus de 1000 fois plus massif que la plus grande planète, Jupiter. Ces chiffres ne s'additionnent pas en ce qui concerne la théorie de l'accrétion de base.
La théorie de l'accrétion du noyau est la théorie la plus largement acceptée pour la formation planétaire. L'accrétion du noyau se produit lorsque de petites particules solides entrent en collision et coagulent pour former des corps plus grands. Sur de longues périodes, cela construit des planètes. Il y a cependant une limite à son fonctionnement.
Une fois qu'un noyau solide atteignant environ 10 à 20 fois la taille de la Terre se forme, il est suffisamment massif pour accumuler du gaz, qui forme une enveloppe ou une atmosphère autour du noyau solide. Une clé est que l'accrétion du noyau fonctionne différemment selon la distance de l'étoile.
Dans un système solaire interne, l'étoile a absorbé une grande partie de la matière disponible, et des planètes plus petites se forment, comme la Terre. La Terre a également une atmosphère relativement petite. Dans un système solaire extérieur, au-delà de ce qu'on appelle la ligne de gel, il y a beaucoup plus de matière des planètes à partir de laquelle se former, bien que la matière soit moins dense. C’est ainsi que nous nous retrouvons avec des géantes gazeuses aux atmosphères volumineuses du système solaire extérieur.
Mais dans le cas du GJ 3512, les chercheurs ont trouvé des contradictions avec l'explication de l'accrétion de base. Tout d'abord, la raison pour laquelle les étoiles sont de faible masse est que le disque entier à partir duquel elles se forment a moins de matière. Des étoiles comme GJ 3512 ont simplement manqué de matériel avant de pouvoir devenir très grandes. De même, il reste moins de matière dans le disque protoplanétaire pour former de grandes planètes.
Dans leur article, ils disent que «la formation d'un géant gazeux <GJ 3512b> de cette manière nécessite la constitution d'un grand noyau planétaire d'au moins 5 masses terrestres». Ils disent que cela ne peut pas se produire autour d'une étoile de si faible masse.
Ce nouveau système d'étoiles semble exclure la théorie de l'accrétion du noyau comme explication. La planète est tout simplement trop massive par rapport à l'étoile. Mais il existe une autre théorie appelée la théorie de l'instabilité du disque.
Quand une jeune étoile naît dans la fusion, elle est entourée d'un disque protoplanétaire rotatif de matière qui reste de la formation de l'étoile. Les planètes se forment à partir de ce matériau. La théorie de l'instabilité du disque dit que le disque rotatif de matériau peut refroidir rapidement. Ce refroidissement rapide peut faire coaguler le matériau en morceaux de la taille d'une planète, qui peuvent s'effondrer sous leur propre gravité pour former des géantes gazeuses, sautant le processus d'accrétion du cœur.
Alors que l'accrétion du noyau prendrait beaucoup de temps, l'instabilité du disque pourrait créer de grandes planètes en un temps beaucoup plus court. Cela pourrait expliquer la découverte de grandes planètes si proches de petites étoiles, comme dans le cas de GJ 3512.
Les scientifiques derrière ce travail ont également trouvé d'autres bizarreries dans ce système. Ils disent qu'il peut y avoir une troisième planète dans le système - également une géante gazeuse - qui a influencé le GJ 3512b, provoquant son orbite allongée. La présence de cette planète est déduite de l'orbite inhabituelle du GJ 3512b et n'a pas été observée. L'équipe derrière l'étude dit que la deuxième planète a probablement été éjectée du système et est maintenant une planète voyou.
Il faudra plus d'étude, avec des instruments plus puissants, pour mieux comprendre ce système. Selon les auteurs, c'est une excellente occasion d'affiner nos théories de la formation planétaire. Comme ils le disent dans la conclusion de l'article, «GJ 3512 est un système très prometteur car il peut être entièrement caractérisé et donc continuer à imposer des contraintes strictes sur les processus d'accrétion et de migration, ainsi que sur l'efficacité de la formation des planètes dans les disques protoplanétaires et le disque rapport de masse étoile à étoile.
Une équipe internationale de chercheurs du consortium CARMENES (recherche à haute résolution de Calar Alto pour les naines M avec Exoearths avec spectrographes d'échelle proche infrarouge et optique) a effectué ce travail. Ce consortium recherche des naines rouges, le type d'étoile le plus courant dans la galaxie, dans l'espoir de trouver des planètes de faible masse dans leurs zones habitables. Non seulement CARMENES génère un ensemble de données pour comprendre les étoiles naines rouges, mais en trouvant des planètes de la taille de la Terre, il fournira un riche ensemble de cibles de suivi pour une étude future.
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- CARMENES
