Un jour nouveau sur la mystérieuse origine des super-Terre

Cette représentation artistique montre une super-Terre mise au jour à l’aide de l’outil HARPS du télescope de 3,6 mètres à l’Observatoire de l’ESO, à La Silla. Elle est environ 3,6 fois plus massive que la Terre et est située en bordure de la zone habitable de son étoile, où la présence d’eau sous forme liquide, voire de vie, est théoriquement possible. Crédit : ESO/M. Kornmesser.

Une étude révélant que les super-Terre ne sont pas d’anciennes mini-Neptune remet en question nos connaissances sur la formation des planètes

Les mini-Neptune et les super-Terre, dont la taille peut atteindre quatre fois celle de la Terre, constituent la majorité des exoplanètes orbitant autour d’étoiles situées à l’extérieur de notre système solaire. Jusqu’à maintenant, nous pensions que les super-Terre étaient en fait le noyau rocheux de mini-Neptune dont l’atmosphère gazeuse avait été soufflée. Or, dans une étude parue récemment dans The Astrophysical Journal, des astronomes de l’Université McGill montrent que certaines de ces exoplanètes n’ont jamais été enveloppées d’une atmosphère gazeuse, jetant un jour nouveau sur leur mystérieuse origine.

Les observations nous ont appris que de 30 à 50 pour cent des étoiles hôtes possédaient soit des super-Terre, soit des mini-Neptune, en proportions à peu près égales pour les deux populations. Mais comment se sont formés ces astres?

Une théorie veut que la plupart des exoplanètes apparaissent sous forme de mini-Neptune; seulement, certaines sont dépouillées de leur coquille gazeuse par les rayonnements de l’étoile hôte, et seul subsiste alors un cœur rocheux dense. En théorie, notre galaxie compterait donc très peu d’exoplanètes de la taille de la Terre ou plus petites encore, à savoir des Terre et des mini-Terre. Des observations récentes viennent toutefois remettre cette théorie en question.

Curieux d’en savoir davantage, les astronomes ont procédé à une simulation pour suivre l’évolution de ces mystérieuses exoplanètes. Leur modèle reposait sur des calculs thermodynamiques basés sur les paramètres que voici : masse du noyau rocheux, distance entre l’exoplanète et l’étoile hôte, et température des gaz environnants.

« Notre étude révèle que, contrairement aux théories qui avaient cours jusqu’à maintenant, certaines exoplanètes ne peuvent tout simplement pas se constituer une atmosphère gazeuse », affirme une coauteure de l’étude, Eve Lee, professeure adjointe au Département de physique de l’Université McGill et à l’Institut spatial de McGill, et membre de l’iREx.

Ce constat donne à penser que les super-Terre ne sont pas toutes d’anciennes mini-Neptune. Les exoplanètes sont plutôt nées par une seule distribution de roches, dans un disque de gaz et de poussières en rotation autour de l’étoile hôte. « Dans certains cas, une coquille gazeuse s’est formée autour de l’amas rocheux, mais dans d’autres, la masse rocheuse s’est dégagée de son atmosphère et est restée une super-Terre », explique-t-elle.

Naissance des mini-Neptune et des super-Terre

Les planètes naissent, croit-on, dans un disque de gaz et de poussières en rotation autour des étoiles. Les amas rocheux plus gros que la lune ont une force gravitationnelle assez grande pour attirer les gaz environnants, qui viendront les envelopper. Au fil du temps, cette coquille gazeuse se contracte en se refroidissant; d’autres gaz environnants viennent alors occuper l’espace libéré, ce qui fait grossir l’exoplanète. Lorsque la coquille entière s’est refroidie suffisamment pour être à la même température que les gaz nébulaires environnants, elle ne peut plus se contracter, et la croissance s’arrête.

Nichés dans une coquille ténue, les noyaux de petite taille restent des exoplanètes rocheuses. C’est la capacité de ces masses rocheuses de croître et de retenir la coquille gazeuse qui distingue une super-Terre d’une mini-Neptune.

« Nos constats nous éclairent sur l’origine des deux populations d’exoplanètes et, peut-être, sur leur nombre, indique Eve Lee. Grâce à la théorie proposée dans notre étude, nous pourrions un jour évaluer la quantité d’exoplanètes rocheuses, comme les Terre et les mini-Terre. »

L’étude

L’article « Primordial Radius Gap and Potentially Broad Core Mass Distributions of Super-Earths and Sub-Neptunes », par Eve Lee et Nicholas Connors, a été publié dans la revue The Astrophysical Journal.

DOI : https://doi.org/10.3847/1538-4357/abd6c7

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