Au sein de notre Système solaire, tout semble bien ordonné : les petites planètes rocheuses telles que Vénus, la Terre ou Mars, orbitent à une distance relativement proche du Soleil. Les géantes de gaz et de glace, telles que Jupiter, Saturne ou Neptune, ont quant à elles des orbites plus larges autour du Soleil. Des chercheurs des Universités de Berne et Genève, membres du PRN PlanetS, démontrent dans deux études publiées dans le journal scientifique Astronomy & Astrophysics que notre système planétaire fait figure d’exception à cet égard.

Comme des petits pois dans une cosse

« Sur la base d’observations réalisées il y a plus d’une décennie avec le télescope spatial Kepler, alors à la pointe de la technologie, les astronomes avaient remarqué que les planètes dans d’autres systèmes ressemblent généralement à leurs voisines respectives en termes de masse et de taille, comme des petits pois dans une cosse », explique l’auteur principal de l’étude, le Dr. Lokesh Mishra, chercheur aux Universités de Berne et Genève, et membre du PRN PlanetS. Toutefois, pendant longtemps, le doute subsistait : ce résultat était- il réel ou s’agissait-il d’une illusion due aux limites des méthodes d’observation ? « Il était alors impossible de déterminer si les planètes d’un système sont assez similaires pour tomber dans la catégorie des ‘‘petits pois dans une cosse’’ ou si elles sont plutôt différentes à l’instar de notre Système solaire », déclare le chercheur.

C’est pourquoi le scientifique a développé une nomenclature permettant de déterminer les différences et les similarités entre les planètes de mêmes systèmes. Il a alors découvert qu’il existe quatre types d’architecture, et non pas deux, pour les systèmes planétaires.

Quatre classes de systèmes planétaires

« Nous appelons ces quatre classes ‘‘similaire’’, ‘‘ordonnée’’, ‘‘anti- ordonnée’’ et ‘‘mélangée’’ », indique Lokesh Mishra. Les systèmes planétaires au sein desquels les masses des planètes voisines sont presque identiques les unes aux autres entrent dans la catégorie ‘‘similaire’’. Les systèmes au sein desquels la masse des planètes a tendance à augmenter avec la distance à l’étoile entrent dans la catégorie ‘‘ordonnée’’, à l’instar de notre Système solaire. Si, au contraire, la masse des planètes décroît avec la distance à l’étoile, les scientifiques parlent d’une architecture ‘‘anti-ordonnée’’. Enfin, le type ‘‘mélangé’’ est utilisé pour décrire un système dans lequel les masses des planètes varient de manière importante et différente d’une planète à l’autre.

« Cette nomenclature peut aussi être utilisée pour tout autre type de mesure, comme le rayon, la densité ou la fraction d’eau de ces planètes », ajoute le coauteur de l’étude Yann Alibert, professeur de sciences planétaires à l’Université de Berne et membre du PRN PlanetS. « Désormais, pour la première fois, nous disposons d’un outil qui nous permet d’étudier les systèmes planétaires comme une seule entité et de les comparer à d’autres systèmes. »

Ces conclusions amènent aussi de nouvelles questions : quelle est l’architecture la plus commune ? Quels sont les facteurs clés contrôlant l’émergence de chaque type d’architecture ? Quels facteurs n’ont aucun impact ? Pour certaines de ces questions, les chercheurs ont déjà la réponse.

Représentation d‘artiste des quatres classes d’architecture de systèmes planétaires. © NCCR PlanetS, Illustration: Tobias Stierli

Une filiation sur plusieurs milliards d’années

« Nos résultats montrent que l’architecture de système planétaire ‘‘similaire’’ est la plus courante. Environ huit systèmes sur dix autour des étoiles visibles dans le ciel nocturne ont une telle architecture », déclare Lokesh Mishra. « Cela explique également pourquoi des indices de cette architecture ont été trouvés dès les premiers mois de la mission Kepler. » Ce qui a surpris l’équipe de recherche, c’est que l’architecture ‘‘ordonnée’’, qui correspond à notre Système solaire, semble être la plus rare.

D’après Lokesh Mishra, il semblerait que la masse du disque de gaz et de poussière duquel naissent les planètes, ainsi que l’abondance d’éléments lourds dans les étoiles-hôtes respectives, joue un rôle clé. « Les systèmes ‘‘similaires’’ émergent des disques relativement petits et peu massifs. Au contraire, les disques massifs et contenant de nombreux éléments lourds donnent naissance majoritairement à des systèmes ‘‘ordonnés’’ et ‘‘anti-ordonnés’’. Enfin, les systèmes ‘‘mélangés’’ sont le fruit des disques de taille intermédiaire. Cela dit, les interactions dynamiques entre les planètes, telles que des collisions ou des éjections, influencent également l’architecture finale. »

« L’un des aspects remarquables de ces résultats est qu’ils lient les conditions initiales de la formation stellaire et planétaire à une propriété observable de nos jours: l’architecture du système planétaire. Des milliards d’années d’évolution se tiennent entre les deux. Pour la première fois, nous avons réussi à établir un lien malgré un intervalle de temps aussi grand, afin de réaliser des prédictions vérifiables. Il sera passionnant de voir si ces prédictions tiendront dans le temps », conclut Yann Alibert.