Communiqué 22-01-2021

Announcement 22-01-2021

Nouvelle étude: les 7 planètes rocheuses de TRAPPIST-1 mieux connues en termes de densité et de probable composition seraient sensiblement similaires.

En février 2017 une publication dans la revue Nature¹ révélait l’existence des sept planètes rocheuses du système TRRAPIST-1, une découverte inédite à laquelle ont participé des chercheurs marocains du Laboratoire de Physique des Hautes Energies et Astrophysique (LPHEA) et de l’Observatoire de l’Oukaimeden relevant de l’Université Cadi Ayyad.

En effet, des observations de ce système ont été effectuées à l’Observatoire de l’Oukaimeden à côté d’autres observatoires terrestres internationaux ainsi que du télescope spatial Spitzer de la NASA.

L'étoile TRAPPIST-1 abrite le plus grand lot de planètes à peu près de la taille de la Terre jamais trouvé en dehors de notre système solaire. Découvertes en 2016 à quelque 40 années-lumière de notre système solaire, ces sept planètes rocheuses offrent un aperçu de la grande variété des systèmes planétaires qui remplissent probablement l’Univers.

Une nouvelle étude acceptée par la revue Planetary Science Journal² et publiée le 22 Janvier dernier, montre que les planètes ont des densités remarquablement similaires. Cela pourrait signifier qu'ils contiennent tous à peu près le même rapport de matériaux censés composer la plupart des planètes rocheuses, comme le fer, l'oxygène, le magnésium et le silicium. Si tel est le cas, la composition des planètes TRAPPIST-1 est sensiblement différente de celle de la Terre: elles sont environ 8% moins denses qu'elles ne le seraient si elles avaient la même composition que notre planète d'origine. Sur la base de cette conclusion, nous avons émis l'hypothèse que le mélange d'ingrédients en vrac pourrait donner aux planètes TRAPPIST-1 cette densité spécifique.

Depuis la détection initiale en 2016 des mondes TRAPPIST-1, nous avons continué à observer et étudier de prés ses sept planètes mettant à profit des télescopes spatiaux et terrestres. En plis des observations faites à l’Observatoire de l’l’Oukaimeden et des d’autres télescopes terrestre, nous avons utilisé les données fournies par le télescope spatial Kepler et le télescope spatial Spitzer. Géré par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, Spitzer a fourni plus de 1000 heures d'observations ciblées du système avant d'être mis hors service en janvier 2020. Les sept exoplanètes ont été découvertes via la méthode du transit: les scientifiques ne peuvent pas voir les planètes directement (elles sont trop petite et de faible luminosité), alors ils recherchent des creux dans la luminosité de l'étoile créés lorsque les planètes passent devant, occultant ainsi une fraction de sa luminosité.

Des observations répétées des creux de lumière des étoiles et des mesures précises de la synchronisation des orbites des planètes nous ont permis de faire des mesures précises des

masses et des diamètres des planètes, qui ont à leur tour été utilisées pour calculer leurs densités. Des calculs antérieurs ont déterminé que les planètes ont à peu près la taille et la masse de la Terre et doivent donc également être rocheuses ou terrestres - par opposition aux planètes gazeuses, comme Jupiter et Saturne. Le nouveau papier offre les mesures de densité les plus précises jamais calculées pour un groupe d’exoplanètes.

Plus on connaît précisément la densité d'une planète, plus on peut imposer des limites à sa composition. Ensemble, la dimension et le poids révèlent la densité de chaque objet. Les densités des huit planètes varient considérablement. Les géantes gonflées et dominées par le gaz - Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune - sont plus grandes, mais beaucoup moins denses que les quatre mondes terrestres. La Terre, Vénus et Mars ont des densités similaires, mais Mercure contient un pourcentage beaucoup plus élevé de fer, donc bien qu'il s'agisse de la plus petite planète du système solaire en diamètre, Mercure à la deuxième densité la plus élevée des huit planètes.

Les sept planètes TRAPPIST-1, en revanche, partagent toutes une densité similaire, ce qui rend le système très différent du nôtre. La différence de densité entre les planètes TRAPPIST-1 et la Terre, Vénus et Mars, peut sembler faible - environ 8% - mais elle est significative à l'échelle planétaire. Par exemple, une façon d'expliquer la densité plus faible est que les planètes TRAPPIST-1 ont une composition similaire à la Terre, mais avec un pourcentage de fer plus faible - environ 21% par rapport aux 32% de la Terre, selon notre étude. Alternativement, le fer dans les planètes TRAPPIST-1 pourrait être infusé avec des niveaux élevés d'oxygène, formant de l'oxyde de fer ou de la rouille. L'oxygène supplémentaire diminuerait les densités des planètes. La surface de Mars tire sa teinte rouge de l'oxyde de fer, mais comme ses trois frères et sœurs terrestres, elle a un noyau composé de fer non oxydé. En revanche, si la densité inférieure des planètes TRAPPIST-1 était entièrement causée par du fer oxydé, alors les planètes devraient être rouillées et ne pourraient pas avoir de noyaux de fer.

Nous avons en outre cherché à savoir si la surface de chaque planète pouvait être recouverte d'eau, qui est encore plus légère que la rouille et qui modifierait la densité globale de la planète. Si tel était le cas, l'eau devrait représenter environ 5% de la masse totale des quatre planètes extérieures. En comparaison, l'eau représente moins d'un dixième de 1% de la masse totale de la Terre. Les trois planètes internes TRAPPIST-1, positionnées trop près de leur étoile pour que l'eau reste liquide dans la plupart des circonstances, nécessiteraient des atmosphères chaudes et denses comme sur Vénus, où l'eau pourrait rester liée à la planète sous forme de vapeur.

L’exoplanètologie a fait un bond extraordinaire ces 30 dernières années, grâce au développement des techniques d’analyse et de la précision offerte par les télescopes spatiaux. Les futures télescopes géants en construction (Le 30 mètre Américain et le l’extrêmement large Télescope (40 m de diamètre) ainsi que le télescope spatiale James Web (JWST) muni de caméras de haute précision permettrons de mieux scruter et analyser la composition et les atmosphères des exoplanètes comme nous l’avons montré dans une récente étude publié en mai dernier (Chouqar 2020).³

1 Gillon, M., Triaud, A., Demory, BO., …., Benkhaldoun Z., Barkaoui K., … et al. Seven temperate terrestrial planets around the nearby ultracool dwarf star TRAPPIST-1. Nature 542, 456–460 (2017). https://doi.org/10.1038/nature21360

2 Eric Agol, Caroline Dorn, Simon L. Grimm, ….., Khalid Barkaoui, Zouhair Benkhaldoun et al. Refining the Transit-timing and Photometric Analysis of TRAPPIST-1: Masses, Radii, Densities, Dynamics, and Ephemerides, 2021 Planet. Sci. J. 2 1. https://doi.org/10.3847/PSJ/abd022

3J Chouqar, Z Benkhaldoun, A Jabiri, J Lustig-Yaeger, A Soubkiou, A Szentgyorgyi, Properties of sub-Neptune atmospheres: TOI-270 system, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 495, Issue 1, June 2020, Pages 962–970, https://doi.org/10.1093/mnras/staa1198