Astrophysique Les exoplanètes de TRAPPIST-1, une aubaine pour les chercheurs

L'étoile TRAPPIST-1 abrite le plus grand groupe de planètes de la taille de la Terre jamais trouvé en dehors de notre système solaire. Une étude internationale avec participation suisse montre que ces exoplanètes ont des densités remarquablement similaires.

Découvertes en 2016 à une quarantaine d'années-lumière de la Terre, les sept exoplanètes en orbite autour de TRAPPIST-1 offrent un aperçu de l'immense variété des systèmes planétaires qui peuplent probablement l'Univers, ont indiqué vendredi les universités de Berne, Genève et Zurich, qui ont participé à ces travaux publiés dans le Planetary Science Journal.

En 2018, des astronomes dirigés par Simon Grimm, de l'Université de Berne, avaient calculé que ces sept planètes ont approximativement la taille et la masse de la Terre. De nouvelles observations effectuées depuis lors à l'aide de différents télescopes ont permis aux astrophysiciens d'affiner leurs calculs, et il s'est avéré que les densités des planètes sont encore plus similaires que supposé.

«Une aubaine»

«Le système TRAPPIST-1 est fascinant car autour de cette étoile unique, nous pouvons étudier la diversité des planètes rocheuses au sein d'un seul système. Et nous pouvons aussi en apprendre davantage sur une planète en étudiant ses voisines. Ce système est donc une aubaine,» indique Caroline Dorn, astrophysicienne à l'Université de Zurich et co-auteure de l'article, citée dans le communiqué.

Dans notre propre système solaire, les densités des huit planètes sont très variables. Les géantes gazeuses – Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – sont plus grandes, mais beaucoup moins denses que les quatre planètes telluriques que sont la Terre, Vénus, Mars et Mercure.

Le fait que les planètes TRAPPIST-1 partagent une densité similaire pourrait signifier qu'elles contiennent toutes à peu près la même proportion de matériaux composant la plupart des planètes rocheuses, comme le fer, l'oxygène, le magnésium et le silicium. Mais comme elles sont environ 8% moins denses que notre planète, leur composition doit être sensiblement différente de celle de la Terre.

L'eau et le fer

«En combinant les modèles de l'intérieur des planètes construits par l'Université de Berne et par l’Université de Zurich avec les modèles de l'atmosphère planétaire que nous développons à Genève, nous avons pu évaluer la teneur en eau des sept planètes TRAPPIST-1 avec une précision sans précédent pour cette catégorie de planètes», explique Martin Turbet, astrophysicien à l'Université de Genève.

L’écart de densité entre les planètes TRAPPIST-1 et la Terre pourrait en principe s’expliquer par la présence d’eau à hauteur d’environ 5% de leur masse totale. En comparaison, l'eau représente moins de 0,1% de la masse totale de la Terre.

«Cependant, nos modèles de structure interne et atmosphérique montrent que les trois planètes intérieures du système TRAPPIST-1 sont probablement sans eau, et que les quatre planètes extérieures n'ont pas plus de quelques pourcents d'eau, peut-être sous forme liquide, à leur surface», continue Martin Turbet.

Une autre façon d'expliquer cette densité plus faible est que les planètes TRAPPIST-1 ont une composition similaire à celle de la Terre, mais avec un pourcentage de fer plus faible – environ 21% par rapport aux 32% de la Terre. Le fer pourrait aussi être infusé avec des niveaux élevés d'oxygène, formant de l'oxyde de fer ou de la rouille. L'oxygène supplémentaire diminuerait alors la densité des planètes.

Une combinaison des deux scénarios

Selon Eric Agol, astrophysicien à l'Université de Washington et auteur principal de l'étude, «la densité plus faible pourrait être causée par une combinaison des deux scénarios – moins de fer globalement et un peu de fer oxydé. Dès lors, elles pourraient contenir moins de fer que la Terre et un peu de fer oxydé comme à la surface de Mars».

Les sept exoplanètes ont été trouvées par la méthode des transits: cela signifie que les scientifiques ne peuvent pas voir les planètes directement, ils cherchent donc des creux dans la luminosité de l'étoile créés lorsque les planètes passent devant elle.

Les observations répétées de ces creux de luminosité et les mesures précises de la synchronisation des orbites des planètes ont permis aux astronomes d'effectuer des mesures précises des masses et des diamètres des planètes, qui ont à leur tour été utilisées pour calculer leurs densités.