Trappist-1 h observée là où on l’attendait !

En février dernier, Nature publiait la découverte d’un système d’au moins 7 planètes telluriques autour d’une toute petite étoile assez proche de nous (40 années -lumière), une naine rouge désormais appelée Trappist-1. Cette étoile n’est que 12 fois plus grande que la Terre et sa luminosité est 2000 fois moindre que celle du Soleil.
Les deux planètes b et c (les plus proches de l’étoile) avaient été découvertes en 2016 par le petit télescope Trappist situé au Chili, qui avait repéré les transits de ces planètes, c’est-à-dire les baisses de luminosité apparente qui se produisent quand une planète passe devant le disque de son étoile. Le télescope Trappist avait aussi identifié d’autres transits, à l’époque attribués à une 3ème planète mais sans que sa période orbitale (et donc sa distance à l’étoile) ait pu être déterminée.

L’équipe étudiant ce nouveau système avait alors obtenu 21 jours d’observation continue de cette cible avec le télescope spatial infrarouge Spitzer de la NASA. Les données recueillies, d’une extrême qualité, avaient permis de découvrir et de caractériser l’orbite de 6 planètes (b,c,d,e,f,g), dont au moins 3 ont des insolations compatibles avec la présence d’eau liquide en surface, et d’observer le transit unique d’une 7ème planète (h), la plus petite, dont la période n’était pas déterminée.

                                                               

Les 6 planètes aux orbites déterminées présentent une caractéristique extraordinaire : leurs orbites sont en résonance les unes avec les autres. Lorsque la planète g accomplit une révolution autour de son étoile, les planètes b, c, d, e et f en ont fait respectivement 8, 5, 3, 2 et 4/3. En particulier, dans cette configuration, 3 planètes successives sont dans une résonance particulière dite de Laplace qui confère une grande stabilité malgré la proximité des planètes. Ce type de résonance empêche notamment des rapprochements collectifs de 3 planètes. Par exemple, dans le trio b, c, d, quand c et d sont au plus proche l’une de l’autre, b est alignée avec elles mais à l’opposée de l’étoile. En prolongeant cette chaîne de résonances à la planète h, les chercheurs ont donc fait la prédiction, sur la base de calculs de stabilité, que la planète h devait avoir une période de 18.77 jours.

Mais il fallait vérifier cette prédiction. Et on a fait appel pour cela à un autre télescope spatial de la NASA, Kepler, dont le tableau de chasse se compte en milliers d’exoplanètes. Le télescope, désormais appelé K2 et handicapé par plusieurs avaries, ne peut observer qu’à l’opposé du Soleil, sur l’écliptique (la projection sur la sphère céleste du plan orbital de la Terre). Au cours d’une année, son champ de vue parcourt donc les constellations du zodiaque. Trappist-1 a la bonne idée de se trouver à moins de un 1 degré de l’écliptique, dans la constellation du Verseau et a pu ainsi être observé pendant presque 3 mois en continu. Contrairement à Spitzer, Kepler observe dans le visible, domaine de rayonnement où Trappist-1 émet très faiblement. Malgré les très grandes qualités du télescope, extraire les transits s’est révélé un vrai challenge, et en particulier ceux des quatre transits de la petite planète h qui se sont produits durant la période d’observation.

Luminosité apparente de Trappist-1 mesurée par le télescope spatial Kepler. Les transits des 7 planètes b,c,d,e,f,g et h sont indiqués. Une modulation de 3,3 jours, due à la rotation de l’étoile est aussi clairement visible.

 

Le travail a été réalisé au sein d’une équipe étendue ce qui a permis d’utiliser plusieurs approches indépendantes, qui ont toutes aboutis à la même conclusion : la planète h transite bien comme prédit par la mécanique céleste, tous les 18,77 jours et se trouve donc dans une résonance de Laplace avec les planètes f et g (voir la vidéo ci-dessus réalisée par Dan Fabrycky, Univ. of Chicago). Cette découverte est publiée aujourd’hui dans le journal Nature Astronomy. Une version publique de l’article est consultable sur arXiv.

Les scientifiques espéraient aussi trouver dans ces 3 mois de données Kepler/K2 d’autres planètes au-delà de la planète-h. Cela n’a pas été le cas. Il reste encore un gros travail d’exploitation de ces données afin d’affiner les contraintes sur la masse des planètes en mesurant les irrégularités des orbites liées aux interactions gravitationnelles des planètes. Les travaux préliminaires donnent des résultats surprenants et très excitants quant à la composition des planètes… affaire à suivre !

Les chercheurs français ayant participé à cette étude sont
Emeline Bolmont, CEA Saclay
Martin Turbet, Laboratoire de météorologie dynamique, Paris
Jérémy Leconte, Sean Raymond et Franck Selsis, Laboratoire d’astrophysique de Bordeaux