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CHEOPS découvre un système planétaire unique

Le télescope spatial CHEOPS a détecté six planètes en orbite autour de l’étoile TOI-178. Les périodes orbitales de cinq d’entre elles sont en harmonie, malgré des densités très différentes, remettant en question notre compréhension de la formation et de l’évolution des systèmes planétaires. CHEOPS est une mission conjointe de l’Agence spatiale européenne (ESA) et de la Suisse, sous l’égide de l’Université de Berne, en collaboration avec l’Université de Genève (UNIGE). 

Une impression d’artiste du système planétaire TOI-178 qui montre la vue de la surface de la planète du système trouvée en orbite la plus éloignée de l’étoile. © ESO

Des notes de musique qui se complètent agréablement peuvent former une harmonie. Elles entretiennent alors entre elles une relation particulière : lorsqu’elles sont exprimées sous forme de fréquences, leurs rapports donnent des fractions simples, comme quatre tiers ou trois moitiés. Un système planétaire peut lui aussi former une sorte d’harmonie lorsque les rapports des périodes orbitales de ses planètes forment des fractions simples. Par exemple, lorsqu’une planète met trois jours pour orbiter autour de son étoile et que sa voisine en met deux. Grâce au télescope spatial CHEOPS, une équipe de scientifiques dirigée par Adrien Leleu, astrophysicien au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE, au Centre de l’Espace et de l’Habitabilité (CSH) de l’Université de Berne et au Pôle de recherche national (PRN) PlanetS, a trouvé une relation de cette nature entre cinq des six planètes en orbite autour de l’étoile TOI-178, située à plus de 200 années-lumière de la Terre. Les résultats ont été publiés dans le journal Astronomy and Astrophysics

Une pièce manquante dans un puzzle inattendu

Dr. Adrien Leleu
Université de Genève et PRN PlanetS © Adrien Leleu

« Ce résultat nous a surpris car les observations précédentes de la mission TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) de la NASA suggéraient l’existence d’un système à trois planètes, dont deux en orbite très rapprochées, autour de TOI-178. Nous avons mené des observations complémentaires avec d’autres instruments, comme le spectrographe ESPRESSO au très grand téléscope (VLT) de l’ESO, au Chili, mais les résultats ont été peu concluants », se souvient Adrien Leleu. Lorsqu’avec ses collègues il propose d’étudier ce système de plus près, il ne savait donc pas à quoi s’attendre. Pour y voir plus clair, la précision et la capacité de pointage de CHEOPS étaient nécessaires, mais cela s’est avéré plus difficile que prévu. « Après avoir analysé les données des onze jours d’observation du système avec CHEOPS, il semblait qu’il y avait plus de planètes que nous ne l’avions pensé au départ », explique le chercheur. L’équipe a identifié une solution possible comportant cinq planètes. Elle a donc décidé de consacrer une précieuse journée de temps d’observation supplémentaire à ce système, confirmant la présence de cinq planètes avec des périodes orbitales d’environ 2, 3, 6, 10 et 20 jours.

Alors qu’un système à cinq planètes aurait été une découverte remarquable en soi, Adrien Leleu et ses collègues ont remarqué qu’il y avait peut-être plus que cela : le système semblait être en harmonie. « Notre théorie impliquait qu’il pouvait y avoir une planète supplémentaire dans cette harmonique, mais sa période orbitale devait se situer dans une très petite fourchette centrée sur environ 15 jours. Si la période différait de plus de dix minutes de la valeur prévue, le système aurait été chaotique », souligne Adrien Leleu. Pour vérifier le bienfondé de sa théorie, l’équipe de recherche a programmé une nouvelle observation avec CHEOPS, au moment exact où cette planète manquante – si elle existait – devait passer devant son étoile. Mais un accident a failli anéantir ce projet.

Prédiction confirmée malgré la quasi-collision

Prof. Dr. Yann Alibert
Center for Space and Habitability et PRN PlanetS, Université de Berne © Anne Wurthlin

« Juste avant le moment de l’observation, un débris spatial a menacé de heurter le satellite CHEOPS », rappelle Yann Alibert, co-auteur et professeur d’astrophysique à l’Université de Berne. Le centre de contrôle de l’Agence spatiale européenne (ESA) a donc lancé une manœuvre d’évitement du satellite et toutes les observations ont été interrompues. « Mais à notre grand soulagement, cette manœuvre a été effectuée avec toute l’efficacité requise et le satellite a pu reprendre ses observations juste à temps pour saisir la mystérieuse planète qui passait », rapporte Nathan Hara, co-auteur de l’étude et maître assistant au Département d’astronomie de la Faculté des sciences de l’UNIGE. « Quelques jours plus tard, les données ont clairement indiqué la présence de cette planète supplémentaire et ont ainsi confirmé qu’il y avait bien six planètes dans le système TOI-178 », explique-t-il.

Un système qui remet en cause les connaissances actuelles

Dr. Nathan Hara, Université de Genève et PRN PlanetS © Nathan Hara

Grâce à la précision des mesures de CHEOPS et aux données antérieures de la mission TESS, du spectrographe ESPRESSO de l’ESO et d’autres, les scientifiques ont pu non seulement mesurer les périodes et les tailles des planètes, de 1,1 à 3 fois le rayon de la Terre, mais aussi estimer leurs densités. Une autre surprise les attendait : comparées à la façon harmonieuse et ordonnée dont les planètes tournent autour de leur étoile, leurs densités semblent être au contraire très disparates.

« C’est la première fois que nous observons un tel phénomène », souligne Kate Isaak, chercheuse à l’ESA, qui ajoute que « dans les quelques systèmes que nous connaissons avec une telle harmonique, la densité des planètes diminue régulièrement à mesure que nous nous éloignons de l’étoile. Dans le système TOI-178, une planète terrestre dense comme la Terre semble être juste à côté d’une planète à la densité deux fois moindre que celle de Neptune, suivie d’une autre très similaire à Neptune. » « Le système remet en question notre compréhension de la formation et de l’évolution des systèmes planétaires », conclut Adrien Leleu.

Informations sur la publication: 
Six transiting planets and a chain of Laplace resonances in TOI-178, A. Leleu, Y. Alibert, N. C. Hara, M. J. Hooton, T. G. Wilson, P. Robutel, J.-B. Delisle, J. Laskar, S. Hoyer, C. Lovis, E. M. Bryant, E. Ducrot, J. Cabrera, J. Acton, V. Adibekyan, R. Allart, C. Allende Prieto, R. Alonso, D. Alves, D. R. Anderson et al., Astronomy and Astrophysics

DOI: 10.1051/0004-6361/202039767