Deux fois la taille de la Terre

Découverte par une jeune étudiante de l’Université de Montréal de Wolf 503 b, une exoplanète qui révélera peut-être les secrets des planètes de taille intermédiaire entre la Terre et Neptune.

Wolf 503 b, une exoplanète deux fois plus grande que la Terre, vient d’être découverte par une équipe internationale de chercheurs, en exploitant les données du télescope spatial Kepler de la NASA. Merrin Peterson, une étudiante qui vient tout juste de commencer ses études supérieures au sein de l’Institut de recherche sur les exoplanètes (iREx), à l’Université de Montréal, a mené la rédaction de l’article qui décrit cette trouvaille. Wolf 503b se trouve à une distance d’environ 145 années-lumière de la Terre, dans la constellation de la Vierge; elle orbite autour de son étoile tous les six jours et se trouve donc très proche d’elle, environ 10 fois plus proche que Mercure l’est du Soleil. Grâce à ces caractéristiques, cette planète représente une occasion en or pour mieux comprendre les exoplanètes qui ont une taille entre celle de la Terre et de Neptune.

« La découverte et la confirmation de cette nouvelle exoplanète ont été très rapides grâce au groupe de travail dont mon directeur, Björn Benneke, et moi-même faisons partie, a déclaré Merrin Peterson. En mai, lorsque la dernière version des données de Kepler nous est parvenue, nous avons rapidement exécuté un programme qui nous a permis de déceler un grand nombre d’exoplanètes potentielles. Wolf 503b figurait au nombre de celles-ci. »

L’équipe a repéré les creux périodiques distincts qui (apparaissent dans la courbe de lumière de l’étoile lorsque la planète passe devant elle. Afin de mieux caractériser le système dont Wolf 503b fait partie, les astronomes ont tout d’abord obtenu un spectre de l’étoile hôte à l’Infrared Telescope Facility de la NASA. Il a ainsi été possible de confirmer que cette étoile était une vieille « naine orange », légèrement moins lumineuse que le Soleil, mais environ deux fois plus âgée, en plus de déterminer précisément le rayon de l’étoile hôte et de Wolf 503b. Pour confirmer que Wolf 503b était bel et bien une planète, l’équipe a ensuite obtenu des images en haute résolution à l’observatoire Palomar et examiné des données d’archives.

Taille de Wolf 503b par rapport à la distribution des planètes découvertes par le télescope «Kepler». Wolf 503b se situe juste à la droite de l’«écart de Fulton», qui dénote une absence de planètes dont le rayon est compris entre 1,5 et 2 fois celui de la Terre, et que l’on comprend encore mal. (Crédit: BJ Fulton, en faisant appel aux données du Ames Research Center (NASA), du California Institute of Technology et de l’Université d’Hawaii)

Si Wolf 503b est intéressante, c’est tout d’abord en raison de sa taille. Grâce au télescope Kepler, nous savons que la plupart des planètes de la Voie lactée dont l’orbite est proche de leur étoile sont à peu près aussi grosses que l’est Wolf 503b, soit quelque part entre la taille de la Terre et celle de Neptune (qui est 4 fois plus grande que la Terre). Comme on ne trouve rien de tel dans notre système solaire, les astronomes se demandent si ces planètes sont de petites « super-Terre » rocheuses ou de mini versions gazeuses de Neptune. Une récente découverte nous apprend également qu’il y a beaucoup moins de planètes dont la taille est comprise entre 1,5 et 2 fois celle de la Terre que de planètes plus petites ou plus grandes que cela. Selon ce qu’avancent les chercheurs en marge de leur découverte, publiée en 2017, cette différence, dite « écart de Fulton », pourrait être ce qui distingue les deux types de planètes.

« Wolf 503b est l’une des seules planètes dont le rayon est proche de l’écart et qui est assortie d’une étoile suffisamment brillante pour qu’elle se prête à une étude plus détaillée, qui permettra de cerner sa véritable nature, a expliqué Björn Benneke, professeur à l’UdeM et membre de l’iREx et du Centre de recherche en astrophysique du Québec. Elle offre une excellente occasion de mieux comprendre l’origine de cet écart dans la distribution des rayons ainsi que la nature des fascinantes populations de “super-Terre” et de “sous-Neptune” dans leur ensemble. »

Si le système Wolf 503b suscite de l’intérêt, c’est aussi que son étoile est relativement proche de la Terre et donc très brillante. L’une des études de suivi possibles pour les étoiles brillantes consiste à mesurer leur vitesse radiale pour déterminer la masse des planètes en orbite autour d’elles. Une planète plus massive a une influence gravitationnelle plus marquée sur son étoile, et la variation de la vitesse radiale de l’étoile au fil du temps est plus importante. La masse combinée avec le rayon défini par les observations du télescope Kepler donnent la masse volumétrique apparente de la planète, ce qui nous en apprend un peu plus sur sa composition. Par exemple, pour le rayon mesuré de 2 fois la taille de la Terre, si la composition de la planète était semblable à celle de cette dernière, sa masse devrait être environ 14 fois supérieure. Si, comme c’est le cas de Neptune, elle possédait une atmosphère riche en gaz ou en matières volatiles, sa masse serait plus faible, soit 8 fois plus que la Terre.

Du fait de sa luminosité, Wolf 503b sera également une candidate de choix pour le prochain télescope spatial James-Webb. En ayant recours à la technique de spectroscopie de transit, il sera possible d’étudier le contenu chimique de l’atmosphère de la planète et de détecter la présence de molécules comme l’hydrogène et l’eau. Cette information s’avère essentielle pour dire si l’atmosphère de Wolf 503b est analogue à celle de la Terre, de Neptune ou complètement différente des atmosphères des planètes de notre système solaire.

Pareilles observations ne peuvent être réalisées dans le cas de la plupart des planètes trouvées par Kepler parce que leur étoile hôte est habituellement beaucoup moins lumineuse. En conséquence, les masses volumétriques apparentes et les compositions atmosphériques de beaucoup d’exoplanètes demeurent encore inconnues.

« En étudiant la nature de Wolf 503b, nous en apprendrons davantage sur la structure des planètes qui se trouvent à proximité de l’écart des rayons et plus généralement sur la diversité des exoplanètes qu’on trouve dans notre galaxie », conclu Merrin Peterson.

À propos de cette étude

L’article « A 2 Earth Radius Planet Orbiting the Bright Nearby K-Dwarf Wolf 503b » a été accepté le 30 août 2018 dans The Astronomical Journal. Outre Merrin Peterson et son directeur Björn Benneke, l’équipe de recherche était formée de Courtney D. Dressing et Howard Isaacson (Université de Californie à Berkeley); Trevor J. David et Eric E. Mamajek (Jet Propulsion Laboratory, du California Institute of Technology – Caltech); David Ciardi; Jessie L. Christiansen, Benjamin J. Fulton et Charles Beichman (Caltech/IPAC-NASA Exoplanet Science Institute); Joshua E. Schlieder (NASA Goddard Space Flight Center); Erik A. Petigura, Andrew W. Howard et Evan Sinukoff (California Institute of Technology); Sam Quinn et David W. Latham (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics); Ian J. M. Crossfield, Liang Yu, Avi Shporer, Chelsea X. Huang et Jason Dittmann (Massachusetts Institute of Technology); Thomas Henning (Max Planck Institute for Astronomy); Molly R. Kosiarek (Université de Californie à Santa Cruz); et Nicole Arango (College of the Canyons).

Contacts

Merrin Peterson et Björn Benneke
Institut de recherche sur les exoplanètes, Université de Montréal
peterson@astro.umontreal.ca, benneke@astro.umontreal.ca