Avec l’aide du télescope spatial CHEOPS, une équipe internationale d’astronomes européens a réussi à identifier clairement l’existence de quatre nouvelles exoplanètes. Les quatre mini-Neptunes sont plus petites et plus froides, et plus difficiles à trouver que les exoplanètes dites Hot Jupiter qui ont été trouvées en abondance. Deux des quatre articles qui en résultent sont dirigés par des chercheurs de l’Université de Berne et de l’Université de Genève qui sont également membres du Pôle de recherche national (NCCR) PlanetS.
CHEOPS est une mission conjointe de l’Agence spatiale européenne (ESA) et de la Suisse, sous la direction de l’Université de Berne en collaboration avec l’Université de Genève. Depuis son lancement en décembre 2019, les mesures extrêmement précises de CHEOPS ont contribué à plusieurs découvertes clés dans le domaine des exoplanètes.
Les membres du PRN PlanetS, le Dr Solène Ulmer-Moll des Universités de Berne et de Genève, et le Dr Hugh Osborn de l’Université de Berne, ont exploité la synergie unique de CHEOPS et du satellite TESS de la NASA, afin de détecter une série d’exoplanètes insaisissables. Les planètes, appelées respectivement TOI 5678 b et HIP 9618 c, ont la taille de Neptune ou légèrement plus petite avec 4,9 et 3,4 rayons terrestres. Les articles respectifs viennent d’être publiés dans les revues Astronomie & Astrophysique et Avis mensuels de la Royal Astronomical Society. Publication dans les mêmes revues, deux autres membres de l’équipe internationale, Amy Tuson de l’Université de Cambridge (Royaume-Uni) et le Dr Zoltán Garai de l’ELTE Gothard Astrophysical Observatory (Hongrie), ont utilisé la même technique pour identifier deux planètes similaires dans d’autres systèmes.
La synergie de deux satellites
Le satellite CHEOPS observe la luminosité des étoiles afin de capturer le léger assombrissement qui se produit quand, et si, une planète en orbite passe devant son étoile de notre point de vue. En recherchant ces événements de gradation, appelés « transits », les scientifiques ont pu découvrir la majorité des milliers d’exoplanètes connues pour orbiter autour d’étoiles autres que notre Soleil.
« Le satellite TESS de la NASA excelle dans la détection des transits d’exoplanètes, même pour les petites planètes les plus difficiles. Cependant, il change son champ de vision tous les 27 jours afin de balayer rapidement la majeure partie du ciel, ce qui l’empêche de trouver des planètes sur des orbites plus longues. périodes », explique Hugh Osborn. Pourtant, le satellite TESS a pu observer des transits uniques autour des étoiles TOI 5678 et HIP 9618. En revenant dans le même champ de vision après deux ans, il a pu à nouveau observer des transits similaires autour des mêmes étoiles. Malgré ces observations, il n’était toujours pas possible de conclure sans équivoque à la présence de planètes autour de ces étoiles car les informations étaient incomplètes.
« C’est là qu’intervient CHEOPS : se concentrant sur une seule étoile à la fois, CHEOPS est une mission de suivi parfaite pour continuer à observer ces étoiles afin de trouver les informations manquantes », complète Solène Ulmer-Moll.
Un long jeu de « cache-cache »
Soupçonnant la présence d’exoplanètes, l’équipe CHEOPS a conçu une méthode pour éviter de passer aveuglément un temps d’observation précieux dans l’espoir de détecter des transits supplémentaires. Ils ont adopté une approche ciblée basée sur les très rares indices fournis par les transits observés par TESS. Sur cette base, Osborn a développé un logiciel qui propose et hiérarchise les périodes candidates pour chaque planète. « Nous jouons ensuite une sorte de jeu de « cache-cache » avec les planètes, en utilisant le satellite CHEOPS », comme le dit Osborn.
« Nous pointons CHEOPS vers une cible à un moment donné, et selon que nous observons ou non un transit, nous pouvons éliminer certaines des possibilités et réessayer à un autre moment jusqu’à ce qu’il y ait une solution unique pour la période orbitale. » Il a fallu respectivement cinq et quatre tentatives aux scientifiques pour confirmer clairement l’existence des deux exoplanètes et déterminer que TOI 5678 b a une période de 48 jours, tandis que HIP 9618 c a une période de 52,5 jours.
Cibles idéales pour le JWST
L’histoire ne s’arrête pas là pour les scientifiques. Avec les périodes contraintes nouvellement découvertes, ils ont pu se tourner vers des observations au sol en utilisant une autre technique appelée vitesse radiale, qui a permis à l’équipe de déterminer des masses de respectivement 20 et 7,5 masses terrestres pour TOI 5678 b et HIP 9618 c. Avec à la fois la taille et la masse d’une planète, sa densité est connue et les scientifiques peuvent se faire une idée de ce dont elle est faite. « Pour les mini-Neptunes cependant, la densité ne suffit pas, et il reste encore quelques hypothèses quant à la composition des planètes : il pourrait s’agir soit de planètes rocheuses avec beaucoup de gaz, soit de planètes riches en eau et à l’atmosphère très humide. « , explique Ulmer-Moll. « Étant donné que les quatre exoplanètes nouvellement découvertes sont en orbite autour d’étoiles brillantes, cela en fait également des cibles de premier ordre pour la mission du télescope spatial James Webb JWST qui pourrait aider à résoudre l’énigme de leur composition », poursuit Ulmer-Moll.
La plupart des atmosphères d’exoplanètes observées jusqu’à présent proviennent de Jupiter chauds, qui sont de très grosses exoplanètes chaudes en orbite près de leur étoile mère. « Les quatre nouvelles planètes que nous avons détectées ont des températures beaucoup plus modérées de « seulement » 217 à 277°C. Ces températures permettent aux nuages et aux molécules de survivre, qui seraient autrement détruits par la chaleur intense des Jupiter chauds. Et ils peuvent potentiellement être détectés par le JWST », comme l’explique Osborn. De plus petite taille et avec une période orbitale plus longue que les Jupiter chauds, les quatre planètes nouvellement détectées sont un premier pas vers l’observation de planètes semblables à la Terre en transit.
