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D’insaisissables planètes jouent à ‘cache-cache’ avec CHEOPS

À l’aide du télescope spatial CHEOPS, une équipe internationale d’astronomes européen.nes a réussi à confirmer sans équivoque l’existence de quatre nouvelles exoplanètes. Les quatre mini-Neptunes sont plus petites et plus froides, et donc plus difficile à détecter que ce que l’on nomme des Jupiters chauds, un type d’exoplanètes trouvé en abondance jusqu’à présent. Deux des quatre articles scientifiques résultant de cette étude sont menés par des chercheurs des Universités de Berne et de Genève, et membres du Pôle de Recherche National (PRN) PlanetS.

CHEOPS est une mission conjointe de la Suisse et de l’Agence Spatiale Européenne (ESA), sous la direction de l’Université de Berne en collaboration avec l’Université de Genève. Depuis son lancement en décembre 2019, les mesures extrêmement précises de CHEOPS ont contribué à de nombreuses découvertes-clés dans le domaine des exoplanètes.

Les membres du PRN PlanetS Dr. Solène Ulmer-Moll des Universités de Berne et Genève, et Dr. Hugh Osborn de l’Université de Berne, ont exploité la synergie unique de CHEOPS avec le satellite TESS de la NASA, afin de détecter une série d’exoplanètes jusque-là insaisissables. Ces planètes, nommées respectivement TOI 5678 b et HIP 9618 c, ont une taille proche de celle de Neptune avec des rayons de 4,9 et 3,4 fois celui de la Terre. Les articles scientifiques ont été publiés respectivement dans les journaux Astronomy & Astrophysics et Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Dans ces mêmes journaux, deux autres membres de l’équipe internationale, Amy Tuson de l’Université de Cambridge (Royaume-Uni) et Dr. Zoltán Garai de l’ Observatoire ELTE Gothard d’Astrophysique (Hongrie), ont utilisé la même technique afin d’identifier deux autres planètes similaires dans d’autres systèmes planétaires.

La synergie de deux satellites

Le satellite CHEOPS observe la luminosité des étoiles afin de capturer la très légère baisse qui se produit lorsque, et si, de notre point de vue, une planète en orbite autour d’une étoile passe devant celle-ci. En cherchant ces baisses de luminosité, appelées « transits », les scientifiques ont pu découvrir la majorité des milliers d’exoplanètes connues en orbite autour d’autres étoiles que le Soleil.

« Le satellite TESS de la NASA excelle dans la détection des transits d’exoplanètes, même pour les petites planètes qui sont bien plus complexes à trouver. Cela dit, TESS change de champ d’observation tous les 27 jours afin de couvrir rapidement la majorité du ciel, ce qui empêche néanmoins de trouver des planètes avec des périodes orbitales plus longues » explique Hugh Osborn. Malgré tout, le satellite TESS avait pu détecter des transits isolés autour des étoiles TOI 6578 et HIP 9618. En scrutant à nouveau le même champ deux ans plus tard, TESS a pu observer des transits semblables autour des mêmes étoiles. En dépit de ces observations, il n’était toujours pas possible de conclure sans équivoque à la présence de planètes autour de ces étoiles étant donné que les informations disponibles étaient incomplètes.

« C’est là que CHEOPS entre en jeu : se focalisant sur une seule étoile à la fois, CHEOPS est une mission dédiée au suivi plutôt qu’à la détection des exoplanètes, et donc l’outil parfait pour continuer à observer ces étoiles afin de trouver les informations manquantes » complète Solène Ulmer-Moll.

Cheops a confirmé l’existence de quatre exoplanètes chaudes d’une taille comprise entre celle de la Terre et de Neptune, et orbitant leur étoile à une distance plus proche que Mercure ne l’est du Soleil. Ces ‘mini-Neptunes’ ne ressemblent à aucune planète de notre système solaire et constitue un ‘chainon manquant’ qui reste méconnu jusqu’à présent. Les mini-Neptunes sont parmi les planètes les plus abondantes, et les astronomes commencent à en trouver davantage autour d’étoiles brillantes. © ESA

Une longue partie de ‘cache-cache’

Suspectant la présence d’exoplanètes, l’équipe CHEOPS a imaginé une méthode pour éviter de gâcher du précieux temps d’observation. Au lieu d’observer indistinctement et sans interruption les mêmes étoiles dans l’espoir de détecter des transits supplémentaires, les scientifiques ont adopté une approche ciblée basée sur les maigres indices obtenus grâce transits observés avec TESS. Se basant sur ces éléments, Osborn a développé un logiciel qui évalue et classe par ordre de priorité les périodes orbitales possibles de chaque planète. « On a ensuite joué à une sorte de ‘cache-cache’ avec les planètes, en utilisant le satellite CHEOPS » déclare Osborn.

« On pointe CHEOPS vers une cible à un moment spécifique, et selon si l’on observe ou non un transit, on peut éliminer des solutions possibles, puis on réessaie à un autre moment calculé par le logiciel, jusqu’à n’avoir plus qu’une solution unique pour la période orbitale. » Cela a demandé respectivement cinq et quatre tentatives aux scientifiques pour confirmer sans l’ombre d’un doute l’existence des deux exoplanètes et déterminer que TOI 5678 b a une période de 48 jours, tandis que HIP 9618 c a une période de 52,5 jours.

Des cibles idéales pour JWST

L’histoire ne s’arrête pas là pour les scientifiques. Grâce aux périodes tout juste déterminées, l’équipe a pu se tourner vers des observations depuis le sol et utiliser une autre technique dite des vitesses radiales. Cela leur a permis de déterminer les masses respectives de 20 fois et 7,5 fois la masse terrestre pour TOI 5678 b et HIP 9618 c. Avec à la fois la masse et la taille d’une planète, sa densité est elle aussi connue, et les scientifiques peuvent avoir une idée de la composition interne de ces planètes. « Pour les mini-Neptunes cela dit, la densité n’est pas suffisante et il reste toujours plusieurs hypothèses possibles quant à leur composition : elles peuvent soit être des planètes rocheuses avec beaucoup de gaz, ou des planètes riches en eau avec une atmosphère surchargée de vapeur » explique Ulmer-Moll. « Étant donné que les quatre exoplanètes nouvellement découvertes orbitent des étoiles brillantes, cela en fait par ailleurs des cibles de choix pour le télescope spatial James Webb (JWST), qui pourrait permettre de résoudre l’énigme de leur composition interne » continue Ulmer-Moll.

La plupart des atmosphères d’exoplanètes qui ont été observées jusqu’à présent sont celles de Jupiters chauds, qui sont des exoplanètes géantes, orbitant en moins de dix jours autour de leur étoile-hôte. « Ces quatre nouvelles planètes que nous avons détectées ont des températures plus modérées de ‘seulement’ 217ºC et 277ºC. Ces températures rendent possible la présence de nuages ou la survie de molécules, qui seraient sinon détruites par l’intense chaleur des Jupiters chauds. Et JWST peut potentiellement les détecter » explique Osborn. Plus petites et avec des périodes orbitales plus longues que les Jupiters chauds, les quatre planètes nouvellement détectées sont un nouveau pas vers l’observation par transit de planètes similaires à la Terre.

Détails des publications :

Two Warm Neptunes transiting HIP 9618 revealed by TESS & Cheops by H. P. Osborn et al. is published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

TOI-5678 b: a 48-day transiting Neptune-mass planet characterized with CHEOPS and HARPS by S. Ulmer-Moll et al. is published in Astronomy & Astrophysics.

Refined parameters of the HD 22946 planetary system and the true orbital period of the planet d by Z. Garai et al. is published in Astronomy & Astrophysics.

TESS and CHEOPS Discover Two Warm Mini-Neptunes Transiting the Bright K-dwarf HD15906 by A. Tuson et al. is published in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.